Name: experimental methods for efficient solar hydrogen production in microgravity environment
Uploaded: 2019-12-03T12:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Experimental Methods for Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment at JoVE.com

K.B. anerkender midler fra stipendiat programmet for det tyske National Academy of Sciences Leopoldina, Grant LPDS 2016-06 og den Europæiske Rumorganisation. Desuden vil hun gerne takke Dr. Leopold summerer, det avancerede koncept team, Alan Dowson, Dr. Jack van Loon, Dr. Gabor Milassin og Dr. Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) og Prof. Harry B. Gray (Caltech) for deres store støtte. M.H.R. er taknemmelig for generøs støtte fra Prof. Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. og M.H.R. anerkender støtte fra Beckman Institute of the California Institute of Technology og det molekylære materiale Research Center. Photoechem -teamet anerkender i høj grad finansiering fra det tyske rumfarts Center (Deutsches Zentrum für luft-und Raumfahrt e.V.) til projektet No. 50WM1848. Desuden, M.G. anerkender finansiering fra Guangdong innovative og iværksætter team program med titlen "Plasmonic nanomaterialer og kvante prikker til let forvaltning i optoelektroniske enheder" (no. 2016ZT06C517). Desuden anerkender Forfatterteamet i høj grad indsatsen og støtten fra ZARM-teamet med Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena Thode og Dr. Thorben Könemann. Det er også taknemmelig for oplysende diskussioner med Prof. Yasuhiro Fukunaka (Waseda University), Prof. Hisayoshi Matsushima (Hokkaido Universitet) og Dr. Slobodan Mitrovic (lam Research).

1. klargøring af p-InP-foto elektroderne
<ol><li>Brug enkelt krystal p-InP (orientering (111 A), Zn doping koncentration på 5 × 1017 cm-3) som foto absorber. Til forberedelse af tilbage kontakt skal du fordampe 4 nm AU, 80 nm Zn og 150 nm AU på bagsiden af waferen og varme den til 400 °C for 60 s.</li>
	<li>Påfør AG paste at vedhæfte ohmic kontakt til en tynd-belagt cu wire. Tråd ledningen til et glasrør, indkapsler prøven og forsegle den til glasrøret ved hjælp af sort, Kemisk Resist...

<ol>
	<li>May, M. M., Lewerenz, H. -. J., Lackner, D., Dimroth, F., Hannappel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+Direct+Solar-to-Hydrogen+Conversion+by+In-Situ+Interface+Transformation+of+a+Tandem+Structure.">Efficient Direct Solar-to-Hydrogen Conversion by In-Situ Interface Transformation of a Tandem Structure.</a> Nature Communications. 6, 8286 (2015).</li><li>Young, J. L., Steiner, M. A., D&#246;scher, H., France, R. M., Turner, J. A., Deutsch, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Solar-to-Hydrogen+Conversion+via+Inverted+Metamorphic+Multi-Junction+Semiconductor+Architectures.">Direct Solar-to-Hydrogen Conversion via Inverted Metamorphic Multi-Junction Semiconductor Architectures.</a> Nature Energy. 2, 17028-17036 (2017).</li><li>Cheng, W. H., Richter, M. H., May, M. M., Ohlmann, J., Lackner, D., Dimroth, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monolithic+Photoelectrochemical+Device+for+19%+Direct+Water+Splitting.">Monolithic Photoelectrochemical Device for 19% Direct Water Splitting.</a> ACS Energy Letters. 3, 1795-1800 (2018).</li><li>Lewerenz, H. -. J., Heine, C., Skorupska, K., Szabo, N., Hannappel, T., Vo-Dinh, T., Campbell, S. H., Klemm, H. W., Munoz, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoelectrocatalysis:+Principles,+Nanoemitter+Applications+and+Routes+to+Bio-inspired+Systems.">Photoelectrocatalysis: Principles, Nanoemitter Applications and Routes to Bio-inspired Systems.</a> Energy &amp; Environmental Science. 3, 748-761 (2010).</li><li>Raatschen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Potential+and+Benefits+of+Closed+Loop+ECLS+Systems+in+the+ISS.">Potential and Benefits of Closed Loop ECLS Systems in the ISS.</a> Acta Astronautica. 48 (5-12), 411-419 (2001).</li><li>Brinkert, K., Richter, M., Akay, &. #. 2. 1. 4. ;., Liedtke, J., Gierisig, M., Fountaine, K. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+Solar+Hydrogen+Production+in+Microgravity+Environment.">Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment.</a> Nature Communications. 9, 2527 (2018).</li><li>Heller, A., Vadimsky, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+solar+to+chemical+conversion:+12+%+efficient+photoassisted+electrolysis+in+the+p-type+InP(Ru)]/HCl-KCl/Pt(Rh)+cell.">Efficient solar to chemical conversion: 12 % efficient photoassisted electrolysis in the p-type InP(Ru)]/HCl-KCl/Pt(Rh) cell.</a> Physical Review Letters. 46, 1153-1155 (1981).</li><li>Mu&#241;oz, A. G., Heine, C., Lublow, M., Klemm, H. W., Szab&#243;, N., Hannappel, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoelectrochemical+conditioning+of+MOVPE+p-InP+films+for+light-induced+hydrogen+evolution:+chemical,+electronic+and+optical+properties.">Photoelectrochemical conditioning of MOVPE p-InP films for light-induced hydrogen evolution: chemical, electronic and optical properties.</a> ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2, Q51-Q58 (2013).</li><li>Sakurai, M., Sone, Y., Nishida, T., Matsushima, H., Fukunaka, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fundamental+Study+of+Water+Electrolysis+for+Life+Support+System+in+Space.">Fundamental Study of Water Electrolysis for Life Support System in Space.</a> Electrochimica Acta. 100, 350-357 (2013).</li><li>Sakuma, G., Fukunaka, Y., Matsushima, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nucleation+and+Growth+of+Electrolytic+Gas+Bubbles+under+Microgravity.">Nucleation and Growth of Electrolytic Gas Bubbles under Microgravity.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 39 (2014), 7638-7645 (2014).</li><li>Patoka, P., Giersig, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-Assembly+of+Latex+Particles+for+the+Creation+of+Nanostructures+with+Tunable+Plasmonic+Properties.">Self-Assembly of Latex Particles for the Creation of Nanostructures with Tunable Plasmonic Properties.</a> Journal of Materials Chemistry. 21, 16783-16796 (2011).</li><li>Jensen, T. R., Malinsky, M. D., Haynes, C. L., Van Duyne, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanosphere+Lithography:+Tunable+Localized+Surface+Plasmon+Resonance+Spectra+of+Silver.">Nanosphere Lithography: Tunable Localized Surface Plasmon Resonance Spectra of Silver.</a> Journal of Physical Chemistry B. 104, 10549-10556 (2000).</li><li>Selig, H., Dittus, H., L&#228;mmerzahl, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+Tower+Microgravity+Improvement+Towards+the+Nano-g+Level+for+the+Microscope+Payload+Tests.">Drop Tower Microgravity Improvement Towards the Nano-g Level for the Microscope Payload Tests.</a> Microgravity Science and Technology. 22, 539-549 (2010).</li><li>Lewerenz, H. J., Schulte, K. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+Photoelectrochemical+Conditioning+and+Surface+Analysis+of+InP+Photocathodes:+II.+Photoelectron+Spectroscopy.">Combined Photoelectrochemical Conditioning and Surface Analysis of InP Photocathodes: II. Photoelectron Spectroscopy.</a> Electrochimica Acta. 47 (16), 2639-2651 (2002).</li><li>Schulte, K. H., Lewerenz, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+Photoelectrochemical+Conditioning+and+Surface+Analysis+of+InP+Photocathodes.+I.+The+Modification+Procedure.">Combined Photoelectrochemical Conditioning and Surface Analysis of InP Photocathodes. I. The Modification Procedure.</a> Electrochimica Acta. 47 (16), 2633-2638 (2002).</li><li>Subramanian, R. S., Balasubramaniam, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity. , (2001).</li><li>Matsushima, H., Kiuchi, D., Fukunaka, H., Kuribayashi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+Bubble+Growth+During+Water+Electrolysis+under+Microgravity.">Single Bubble Growth During Water Electrolysis under Microgravity.</a> Electrochemistry Communications. 11, 1721-1723 (2009).</li><li>Kiuchi, D., Matsushima, H., Fukunaka, Y., Kuribayashi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ohmic+Resistance+Measurement+of+Bubble+Froth+Layer+in+Water+Electrolysis+under+Microgravity.">Ohmic Resistance Measurement of Bubble Froth Layer in Water Electrolysis under Microgravity.</a> Journal of the Electrochemical Society. 153 (8), 138-143 (2006).</li><li>Matsushima, H., Nishida, T., Konishi, Y., Fukunaka, Y., Ito, Y., Kuribayashi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+Electrolysis+under+Microgravity+Part+1.+Experimental+Technique.">Water Electrolysis under Microgravity Part 1. Experimental Technique.</a> Electrochimica Acta. 48, 4119-4125 (2003).</li><li>Lao, L., Ramshaw, C., Yeung, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Process+Intensification:+Water+Electrolysis+in+a+Centrifugal+Acceleration+Field.">Process Intensification: Water Electrolysis in a Centrifugal Acceleration Field.</a> Journal of Applied Electrochemistry. 41, 645-656 (2011).</li><li>Kaneko, H., Tanaka, K., Iwasaki, A., Abe, Y., Negishi, A., Water, K. a. m. i. m. o. t. o. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+Electrolysis+under+Microgravity+Condition+by+Parabolic+flight.">Water Electrolysis under Microgravity Condition by Parabolic flight.</a> Electrochimica Acta. 38, 729-733 (1993).</li><li>Iwasaki, A., Kaneko, H., Abe, Y., Kamimoto, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+Electrochemical+Hydrogen+Evolution+under+Microgravity+Conditions.">Investigation of Electrochemical Hydrogen Evolution under Microgravity Conditions.</a> Electrochimica Acta. 43, 509-514 (1998).</li><li>Lee, H. M., Takei, K., Zhang, J., Kapadia, R., Zheng, M., Chen, Y. -. Z., Nah, J., Matthews, T. S., Chueh, Y. -. L., Ager, J. -. W., Javey, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=p&#8208;Type+InP+Nanopillar+Photocathodes+for+Efficient+Solar&#8208;Driven+Hydrogen+Production.">p&#8208;Type InP Nanopillar Photocathodes for Efficient Solar&#8208;Driven Hydrogen Production.</a> Angewandte Chemie International Edition. 51 (43), 10760-10764 (2012).</li></ol>

Til fremstilling af foto elektroder, er det vigtigt at minimere ilt eksponering mellem ætsning og konditionering procedure og til at rense 0,5 M HCl før brug for omkring 10-15 min med nitrogen. Når prøverne er konditioneret, kan de opbevares under nitrogenatmosfære i 15 mL koniske rør i et par timer for at tillade prøve transport og/eller forberedelsestid af polystyren partikel masker. For at opnå en homogen arrangement af PS kugler på elektrode substrat, er det vigtigt at danne en kontinuerlig maske af PS kugle...

Vores atmosfære på jorden dannes gennem iltdannende fotosyntese, en 2.300.000.000-årig proces, der omdanner solenergi til energirige carbonhydrider, frigiver ilt som et biprodukt og bruger vand og co2 som substrater. I øjeblikket, kunstige fotosyntetiske systemer efter konceptet af den energiske Z-ordningen af katalyse og opladning overførsel i naturlige fotosyntese er realiseret i halvleder-elektro katalysator systemer, viser hidtil en sol-til-brint konvertering effektivitet på 19%1,2,3. I disse systemer er halvleder materialer ansat som lysabsorbenter, der er belagt med et tyndt, gennemsigtigt lag af elektro katalysatorer4. Intens forskning på dette område fremmes af den globale søgen efter vedvarende energisystemer med brint og langkædede carbonhydrider, der gør fremragende kandidater til en alternativ brændstofforsyning. Lignende hindringer står også over for langsigtede rummissioner, hvor en genforsyning af ressourcer fra jorden ikke er mulig. Der kræves en pålidelig support hardware, som anvender en effektiv luft revitaliserings enhed, som giver ca. 310 kg ilt pr. besætningsmedlem pr. år, og som ikke tegner sig for ekstravehicular-aktiviteter5. En effektiv sol vand-opdeling anordning, der kan producere ilt og brint eller reducere kuldioxid Solar-assisteret og i en monolitisk system ville give en alternativ, lettere rute til aktuelt anvendte teknologier på ISS: luften revitalisering enhed består af et adskilt system med en alkalisk elektrode, en solid Amin kuldioxid koncentrator og en Sabatier reaktor til reduktion af CO2.
Vi indså for en stor dels vedkommende en effektiv produktion af solenergi i mikrotyngdekraften, som blev leveret af en 9,3 s under frit fald ved Bremen drop Tower (ZARM, Tyskland)6. Ved hjælp af p-type indium kobberphosphid som en halvledende lys-absorber7,8 belagt med en nanostruktureret rhodium electrocatalyst, vi overvandt substrat og produkt masseoverførsel begrænsninger til og fra photoelektrode overflade, som er en hindring i reduceret tyngdekraft miljøer på grund af fravær af flydeevne9,10. Anvendelsen af Shadow nanosphere litografi11,12 direkte på foto elektrodeoverfladen tillod dannelsen af rhodium katalytiske ' hot spots ', som forhindrede hydrogengas boble sammensmeltningen og dannelsen af et skumlag i nærheden af elektrodeoverfladen.
Heri leverer vi eksperimentelle detaljer om p-InP-foto elektrode præparatet, herunder overflade ætsning og konditionering, efterfulgt af anvendelse af Shadow nanosphere litografi på elektrodeoverfladen og foto elektroaflejringen af rhodium nanopartikler gennem polystyren kugler. Desuden er den eksperimentelle set-up i drop kapsel i Bremen drop Tower beskrevet, og detaljerne i den eksperimentelle sekvens under 9,3 s af frit fald er forudsat. Prøve afbetaling og håndtering før og efter hver dråbe er skitseret samt forberedelsen af dråbe kapsel og dens udstyr til at betjene belysningskilder, potentiostater, lukker kontroller og videokameraer ved kommando.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>12.7 mm XZ Dovetail Translation Stage with Baseplate, M4 Taps (4 x)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DT12XZ/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Beam splitters (2 x)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CM1-BS013</td>
			<td>50:50 400-700nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Beamsplitters (2 x)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CM1-BS014</td>
			<td>50:50 700-1100nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ohmic back contact: 4 nm Au, 80 nm Zn, 150 nm Au</td>
			<td>Out e.V., Berlin, Germany</td>
			<td>https://www.out-ev.de/english/index.html</td>
			<td>Company provides custom made ohmic back contacts</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass tube, ca. 10 cm, inner diameter about 4 mm</td>
			<td>E.g., Ga&#223;ner Glasstechnik</td>
			<td></td>
			<td>Custom made</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>p-InP wafers, orientation 111A, Zn doping concentration: 5 x 10^17 cm^-3</td>
			<td>AXT Inc. Geo Semiconductor Ltd. Switzerland</td>
			<td></td>
			<td>Custom made</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoelectrochemical cell for terrestrial experiments</td>
			<td>E.g., glass/ materials workshop</td>
			<td></td>
			<td>Custom made</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matrox 4Sight GPm (board computer)</td>
			<td>Matrox imaging</td>
			<td></td>
			<td>Ivy Bridge, 7 x Cable Ace power I/O HRS 6p, open 10m, Power Adapter for Matrox 4sight GPm, Samsung 850 Pro 2,5&#34; 1 TB, Solid State Drive in exchange for the 250Gb hard drive</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-propanol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>I9516-500ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>35mm Kowa LM35HC 1&#34; Sensor F1.4 C-mount (2 x)</td>
			<td>Basler AG</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>650501-1L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ag/AgCl (3 M KCl) reference electrode</td>
			<td>WPI</td>
			<td>DRIREF-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminium breadboard, 450 mm x 450 mm x 12.7mm, M6 Taps (2 x)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MB4545/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Beaker, 100 mL</td>
			<td>VWR</td>
			<td>10754-948</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Black epoxy</td>
			<td>Electrolube</td>
			<td>ER2162</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bromine</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>1.01945 EMD Millipore</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Colour camera (2 x)</td>
			<td>Basler AG</td>
			<td>acA2040-25gc</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conductive silver epoxy</td>
			<td>MG Chemicals</td>
			<td>8331-14G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper wire</td>
			<td>E.g., Sigma Aldrich</td>
			<td>349224-150CM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>459844-500ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Falcon tubes, 15 mL</td>
			<td>VWR</td>
			<td>62406-200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glove bags</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>Z530212</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid (1 M)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>H9892</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stirrer</td>
			<td>VWR</td>
			<td>97042-626</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>34860-100ML-R</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope slides</td>
			<td>VWR</td>
			<td>82003-414</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MilliQ water</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIR camera (2 x)</td>
			<td>Basler AG</td>
			<td>acA1300-60gm</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen, grade 5N</td>
			<td>Airgas</td>
			<td>NI UHP300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#216; 1&#34; Stackable Lens Tubes (6 x)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SM1L03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O2 Plasma Facility</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OEM Flange to SM Thread Adapters (4 x)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SM1F2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm</td>
			<td>VWR</td>
			<td>52858-000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pasteur pipette</td>
			<td>VWR</td>
			<td>14672-380</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Perchloric acid (1 M)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>311421-50ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Petri dish</td>
			<td>VWR</td>
			<td>75845-546</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoelectrochemical cell for microgravity experiments</td>
			<td>E.g., glass/ materials workshop</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene particles, 784 nm, 5 % (w/v)</td>
			<td>Microparticles GmbH</td>
			<td>0.1-0.99 &#181;m size (50 mg/ml): 10 ml, 15 ml, 50 ml</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostats (2 x)</td>
			<td>Biologic</td>
			<td>SP-200/300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pt counter electrode</td>
			<td>ALS-Japan</td>
			<td>12961</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rhodium (III) chlorid</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>520772-1G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shutter control system (2 x)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon reference photodiode</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FDS1010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium chlorid</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>567440-500GM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stands and rods to fix the cameras</td>
			<td>VWR</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulphuric acid (0.5 M)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>339741-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Telecentric High Resolution Type WD110 series Type MML1-HR110</td>
			<td>Basler AG</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toluene</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>244511-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Various spare beakers and containers for leftover perchloric acid etc for the drop tower</td>
			<td>VWR</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>W-I lamp with light guides (2 x)</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>Dolan-Jenner MI-150 Fiber Optic Illuminator</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CM-12 electron microscope with a twin objective lens, CCD camera (Gatan) system and an energy dispersive spectroscopy of X- rays (EDS) system)</td>
			<td>Philips</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dimension Icon AFM, rotated symmetric ScanAsyst-Air tips (silicon nitride), nominal tip radius of 2 nm</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

experimental methods for efficient solar hydrogen production in microgravity environment

Langsigtede rumflyvninger og CIS-Lunar-forskningsplatforme kræver en bæredygtig og let livsstøtte, som kan anvendes pålideligt uden for jordens atmosfære. Såkaldte "Solar Fuel"-anordninger, der i øjeblikket er udviklet til jordbaserede applikationer i jagten på at realisere en bæredygtig energi økonomi på jorden, giver lovende alternative systemer til eksisterende luft-revitaliserings enheder, der er ansat på det internationale rum Station (ISS) gennem foto elektrokemisk vand-opdeling og brintproduktion. En forhindring for vand (foto-) elektrolyse i reduceret tyngdekraft miljøer er fraværet af flydeevne og den deraf følgende, hæmmet gas boble frigivelse fra elektrodeoverfladen. Dette forårsager dannelsen af gas boble skumme lag i nærheden af elektrodeoverfladen, hvilket fører til en stigning i ohmic modstand og celle-effektivitet tab som følge af reduceret masseoverførsel af substrater og produkter til og fra elektroden. For nylig har vi demonstreret effektiv produktion af solenergi i mikrotyngdekraften miljø, ved hjælp af en integreret halvleder-elektro katalysator system med p-type indium kobberphosphid som lys-absorber og en rhodium elektro katalysator. Ved at nanostrukturere elektro katalysatoren ved hjælp af Shadow nanosphere litografi og derved skabe katalytiske "hotspots" på foto elektrodens overflade, kunne vi overvinde gasboble-og masse overførsels begrænsningerne og udviste effektiv brint produktion ved høj strømtæthed ved reduceret gravitation. Her er de eksperimentelle detaljer beskrevet for forberedelserne af disse nanostrukturerede enheder og videre, proceduren for deres test i mikrotyngdekraften miljø, realiseret på Bremen drop Tower under 9,3 s af frit fald.

Ætsning af p-INP-overfladen i br2/methanol i 30 s med fortløbende fotokemiske konditionering af prøven ved cykling polarisering i HCL er veletableret i litteraturen og drøftet (f. eks. ved Schulte & lewerenz (2001)14,15). Den ætsning procedure fjerner den indfødte oxid tilbage på overfladen (figur 2) og elektrokemisk cykling i HCL forårsager desuden en betydelig stigning i fyldnings...

Watch this Scientific Journal Video about Experimental Methods for Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment at JoVE.com

Experimental Methods for Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment

Effektiv Solar-hydrogenproduktion er for nylig blevet realiseret på funktionaliserede halvleder-elektro katalysator systemer i en foto elektrokemisk halvcelle i mikrotyngdekraften miljø på Bremen drop Tower. Her rapporterer vi de eksperimentelle procedurer for fremstilling af halvleder-elektro katalysatorenhed, detaljer om den eksperimentelle set-up i drop kapsel og den eksperimentelle sekvens under frit fald.

Eksperimentelle metoder til effektiv produktion af solenergi i Mikrogravitations miljø

Long-term space flights and cis-lunar research platforms require a sustainable and light life-support hardware which can be reliably employed outside the ...

Denne protokol omfatter en trinvis procedure for, hvordan konstruktion af nanostrukturerede fotoelektroder til effektiv letassisteret brintproduktion i mikrotyngdekraftsmiljøer. Det omfatter også en elektrode test procedure for, hvordan man tester disse fotoelektroder på Bremen Drop Tower, hvor 10 til minus seks g kan genereres i 9,2 sekunder frit fald. Det er observeret af os og andre forskerhold, at elektrokemisk genereret gasbobler holde sig til elektrodeoverfladen i mikrotyngdekraft betingelser på grund af manglende opdrift.katalysator genererer katalytiske hotspots, som forbedrer løsrivelsen af gasbobler og den samlede effektivitet. Procedurerne vil blive demonstreret af Omer Akay, en kandidatstuderende i vores laboratorium i FU Berlin. Til at begynde, anvende sølv pasta til at fastgøre OMEC kontakt til en tynd forgyldt kobbertråd.Før tråden til et glasrør og brug sort kemisk resistent epoxy til at indkapsle P-type indiumphosphideprøven og forsegle den til glasrøret. Under en røghætte, placere 0,5 kvadratcentimeter poleret indium ansigt P-type indiumphosphide i 10 milliliter brom / methanol opløsning i 30 sekunder til etch til fjernelse af indfødte oxider. Skyl derefter overfladen med ethanol og ultrarent vand i 10 sekunder hver og tør prøven under kvælstofffluks.Brug en borosilikat glascelle med en kvarts vindue som en fotoelektrokisk celle og placere P-type indiumphosphide elektrode i cellen i en standard tre-elektrode potentiostatic arrangement. Brug en hvid lys wolfram halogenlampe til at belyse prøven under konditioneringsproceduren. Juster lysintensiteten med en kalibreret siliciumreferencefotodiode.Efter udrensning af saltsyre med nitrogen, lyselektromisk tilstand prøven med potenteodynamiske cykling med en scanningshastighed på 50 millivolt per sekund for 50 cyklusser under kontinuerlig belysning. I denne procedure anvendes skyggekumografi til at danne rhodiumnanstrukturer på P-typen indiumphosphidelektrode. Opnå en færdig blanding af 300 mikroliter af 784 nanometer polystyren perler og 300 mikroliter ethanol, der indeholder en vægt volumen procent styren og 0,1% svovlsyre.Brug en Pasteur pipette med en buet spids til at påføre opløsningen på vandoverfladen. Drej petriskålen forsigtigt for at øge arealet af de monokrystallinske strukturer. Fordel forsigtigt opløsningen til at dække 50% af luft-vand-grænsefladen med et sekskantet lukket, pakket monolag.Beskyt kobbertråden i fotoelektrokemisk konditionerede P-type indiumphosphidelektroder med parafilm. Omhyggeligt tape dem til et mikroskop dias og placere elektroderne under flydende tæt pakket polystyren kugle maske. Undgå, at prøverne roterer.Derefter skal du bruge en pipette til forsigtigt at fjerne resterende vand og vente på, at det tørrer. Dette medfører, at masken efterfølgende aflejres på elektrodeoverfladen. Tag derefter elektroden ud af petriskålen og tør forsigtigt overfladen med nitrogen.Elektroden opbevares under nitrogen i en eksikator. For fotoelektrochemisk deponering rhodium nanopartikler, placere elektroden i en elektrolytopløsning indeholdende rhodiumchlorid, natriumchlorid og isopropanol. Med en potentiostat, anvende et konstant potentiale på 0,01 volt i fem sekunder under samtidig belysning med en wolfram jod lampe.Skyl derefter fotoelektroden med ultrarent vand og tør det under en blid strøm af kvælstof. For at fjerne polystyrenkuglerne fra elektrodeoverfladen skal elektroderne i et bægerglas med 10 milliliter toluen og forsigtigt omrøres i 20 minutter. Skyl derefter elektroden med acetone og ethanol i 20 sekunder hver.For gas boble undersøgelser, vedhæfte to kameraer til hver fotoelektrokiske celle til at optage gas boble evolution via optiske spejle og stråle splittere. Monter den fotoelektromiske opsætning og kameraerne på et optisk bræt og fastgør den til en af kapslens midterste brædder. Brug de resterende bestyrelser til rate af ekstra udstyr såsom potentiostats og lukkerkontrol, lyskilder og bestyrelsen computer.Fastgør en batteriforsyning på kapslens nederste bræt for at drive opsætningen under frit fald. Skriv en automatiseret dropsekvens for de eksperimentelle trin, der skal kontrolleres og udføres i mikrotyngdekraftsmiljø. Vedligehold forsøget i frit fald samt 45-minutters kapsel opsving efter faldet.For at undersøge letassisteret brintproduktion på prøverne skal der udføres cyklisk voltammetri og chronoamperomettri. I cyklus voltammetri eksperimenter, oprette scanning satser for de to potentiostats på 218 millivolt per sekund til 235 millivolt per sekund for optimale opløsninger i fotostrømspænding målinger. Brug spændingsområder på 0,25 volt til negative 0,3 volt i forhold til sølvsølvchloridreferenceelektroden.Anbring det oprindelige potentiale ved 0,2 volt verus sølv-sølvchlorid reference elektrode og en efterbehandling potentiale på 0,2 volt versus sølv-sølv chlorid reference elektrode. I chronoamperometric måling skal du bruge tidsskalaen for det genererede mikrotyngdekraftsmiljø 9,3 sekunder til at registrere den fotostrøm, der produceres af prøven. Anvend potentielle intervaller af negative 0,3 volt til negative 0,6 volt versus sølv-sølvchlorid reference elektrode til at sammenligne produceret fotostrøm.Kør tre scanningscyklusser. For at sammenligne de registrerede fotostrømsspændingsmålinger skal du tage den anden scanningscyklus for hvert eksperiment til analyse. Når kapslen er hentet fra decelerationsbeholderen, fjernes kapslens beskyttelsesskjold.Fjern prøverne fra den pneumatiske stative, skyl dem med ultrarent vand og tør dem under let nitrogenfug. Opbevar dem under nitrogenatmosfære, indtil der er foretaget optiske og spektroskopiske undersøgelser. Tapning tilstand atomkraft mikroskopi af P-type indiumphosphid overflade før modifikation, efter ætsning i brom / methanol opløsning, og efter elektrokemiske cykling i saltsyre viser ætsning procedure fjerner den indfødte oxid tilbage på overfladen.Elektrokemisk cykling i saltsyre forårsager en betydelig stigning i fyldfaktoren af cellens ydeevne ledsaget af et fladt bånd skift af P-type indiumphosphid fra 0,56 volt til 0,69 volt. Den deponerede polystyren partikel monolayer på P-type indiumphosphide substrat og overfladen efter aflejring af rhodium og fjernelse af polystyren partikler er vist gennem AFM topografi. Anvendelsen af skyggekumografi giver et nanodimensioneret todimensionelt periodisk rhodiumstruktur med en homogen vifte af huller i den metalliske transparente rhodiumfilm.Den høje opløsning AFM billede illustrerer den sekskantede enhed cellestruktur med genkendelige kerner af rhodium. Højdeprofilen på tre pletter på elektrodeoverfladen viser, at rhodiumnet er homogent fordelt på P-type indiumphosphideoverfladen med en højde på ca. 10 nanometer, der danner et katalytisk lag. De fotostrømsspændingskarakteristika og chronoamperometriske målinger af nanostrukturerede P-type indiumphosphide rhodiumfotoelektroder i terrestriske miljøer og mikrotyngdekraftsmiljøer viser ikke signifikante forskelle.Vigtigst er det, før der rent faktisk lukker drop kapsel, fjerne løse skruer og kabler, som ikke er strammet. Resterende skruer kan ødelægge den eksperimentelle opsætning og instrumenterne under frit fald. rhodium, kan man Dette resulterer i forskellige elektrokatalytiske nanostrukturer resulterer i forskellige effektivitetsforhold.Dette er sandsynligvis det samme tilfælde i mikrotyngdekraft miljøer. Demonstrationen af en effektiv fotoelektrokemisk brintproduktion i mikrotyngdekraftsmiljøet åbner nye veje til produktion af ilt og solbrændstoffer i rummet og kan bidrage til realiseringen af langsigtet rumfart.

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Chemistry

Unit 1

Gravitation

SCIENTISTS IN ACTION

Thin-layer Chromatographic (TLC) Separations and Bioassays of Plant Extracts to Identify Antimicrobial Compounds

Thin-layer Chromatographic TLC Separations and Bioassays of Plant Extracts to Identify Antimicrobial Compounds

Tyndtlagskromatografisk (TLC) Separations og Bioassays planteekstrakter til at identificere antimikrobielle forbindelser

A common screen for plant antimicrobial compounds consists of separating plant extracts by paper or thin-layer chromatography (PC or TLC), exposing the ...

Metal-silicate Partitioning at High Pressure and Temperature: Experimental Methods and a Protocol to Suppress Highly Siderophile Element Inclusions

Metal-silikat Partitionering ved højt tryk og temperatur: Eksperimentelle metoder og en protokol til Undertryk Meget Siderophile Element Indeslutninger

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from ...

Supercritical Nitrogen Processing for the Purification of Reactive Porous Materials

Superkritisk Nitrogen Behandling til rensning af reaktive porøse materialer

Supercritical fluid extraction and drying methods are well established in numerous applications for the synthesis and processing of porous materials. ...

Non-equilibrium Microwave Plasma for Efficient High Temperature Chemistry

Ikke-ligevægt Mikrobølge Plasma til effektiv høj temperaturkemi

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose ...

Influence of Hybrid Perovskite Fabrication Methods on Film Formation, Electronic Structure, and Solar Cell Performance

Indflydelse af Hybrid perovskit Fabrication Metoder på film Formation, Elektronisk Struktur og Solar Cell ydeevne

Hybrid organic/inorganic halide perovskites have lately been a topic of great interest in the field of solar cell applications, with the potential to ...

A Convenient Method for Extraction and Analysis with High-Pressure Liquid Chromatography of Catecholamine Neurotransmitters and Their Metabolites

En praktisk metode til udvinding og analyse med højtryks væskekromatografi catecholamin neurotransmittere og deres metabolitter

The extraction and analysis of catecholamine neurotransmitters in biological fluids is of great importance in assessing nervous system function and ...

Key Factors Affecting the Performance of Sb2S3-sensitized Solar Cells During an Sb2S3 Deposition via SbCl3-thiourea Complex Solution-processing

Key Factors Affecting the Performance of Sb2S3-sensitized Solar Cells During an Sb2S3 Deposition via SbCl3-thiourea Complex Solution-processing

Vigtigste faktorer, der påvirker udførelsen af Sb2S3-sensibiliseret solceller under en Sb2S3 Deposition via SbCl3-thiourinstof kompleks løsning-behandling

Sb2S3 is considered as one of the emerging light absorbers that can be applied to next-generation solar cells because of its unique optical and electrical ...

Solution-Processed "Silver-Bismuth-Iodine" Ternary Thin Films for Lead-Free Photovoltaic Absorbers

Løsning-forarbejdede "Sølv-Bismuth-jod" ternære tynde film for blyfri solcelleenergi absorptionsflaskerne

Bismuth-based hybrid perovskites are regarded as promising photo-active semiconductors for environment-friendly and air-stable solar cell applications. ...

Bio-inspired Polydopamine Surface Modification of Nanodiamonds and Its Reduction of Silver Nanoparticles

Bio-inspirerede Polydopamine overflade ændring af Nanodiamonds og dets begrænsning af sølv nanopartikler

Surface functionalization of nanodiamonds (NDs) is still challenging due to the diversity of functional groups on the ND surfaces. Here, we demonstrate a ...

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

U2O5 Film forberedelse via UO2 Deposition af jævnstrøm Sputtering og Successive Oxidation og reduktion med atomare ilt og Atomic brint

We describe a method to produce U2O5 films in situ using the Labstation, a modular machine developed at JRC Karlsruhe. The Labstation, an essential part ...