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. erkjenner finansiering fra stipendprogrammet til det tyske National Academy of Sciences Leopoldina, gi LPDS 2016-06 og den europeiske romfartsorganisasjonen. Videre vil hun gjerne takke Dr. Leopold summerer, Advanced Concepts 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 sin store støtte. M.H.R. er takknemlig for sjenerøs støtte fra Prof Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. og M.H.R. erkjenner støtte fra Beckman Institute of California Institute of Technology og molekylær Materials Research Center. PhotoEChem -teamet erkjenner sterkt finansiering fra German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für luft-und Raumfahrt e.V.) for prosjektet no. 50WM1848. Videre erkjenner M.G. finansiering fra Guangdong innovative og gründer team program med tittelen "Plasmonic nanomaterialer og Quantum prikker for Light Management i Optoelektronisk Devices" (no. 2016ZT06C517). Videre erkjenner forfatteren teamet sterkt innsats og støtte fra ZARM team med Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, fred Oetken, Jan Siemers, Dr. Martin Castillo, Magdalena Thode og Dr. Thorben Könemann. Det er også takknemlig for opplysende diskusjoner med prof. Jay Fukunaka (Waseda University), Prof Hisayoshi Matsushima (Hokkaido University) og Dr. Slobodan Mitrovic (lam Research).

1. utarbeidelse av p-InP photoelectrodes
<ol><li>Bruk enkelt krystall p-InP (orientering (111 A), Zn doping konsentrasjon på 5 × 1017 cm-3) som photoabsorber. For tilbake kontakt forberedelse, fordampe 4 NM au, 80 NM Zn og 150 NM au på baksiden av kjeks og varme den til 400 ° c for 60 s.</li>
	<li>Påfør AG lim for å feste ohmsk kontakt til en tynn-belagt Cu wire. Tre ledningen til et glass rør, kapsler prøven og forsegle den til glassrøret ved hjelp av svart, kjemisk motstandsdyktig epox...

<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>

For utarbeidelse av photoelectrodes, er det viktig å minimere oksygen eksponering mellom etsing og condition prosedyre og å rense 0,5 M HCl før bruk i ca 10-15 min med nitrogen. Når prøvene er betinget, kan de lagres under nitrogen atmosfære i 15 mL koniske rør i noen timer for å tillate sample transport og/eller Forberedelsestid av polystyren partikkel masker. For å oppnå en homogen arrangement av PS kuler på elektroden underlaget, er det viktig å danne en kontinuerlig maske av PS kuler på vannflaten som ka...

Vår atmosfære på jorda dannes gjennom oxygenic fotosyntese, en 2 300 000 000 år gammel prosess som omdanner solenergi til energi rike hydrokarboner, og frigir oksygen som biprodukt og bruker vann og CO2 som underlag. For tiden, kunstig fotosyntetiske systemer etter begrepet den energiske Z-ordningen med katalyse og lade overføring i naturlig fotosyntese er realisert i halvledere-electrocatalyst systemer, viser hittil en sol-til-hydrogen konvertering effektivitet på 19%1,2,3. I disse systemene, halvleder materialer er ansatt som lette dempere som er belagt med et tynt, gjennomsiktig lag av electrocatalysts4. Intens forskning på dette feltet er fremmet av den globale søken etter fornybare energisystemer med hydrogen og langkjedet hydrokarboner som gjør gode kandidater for en alternativ drivstoff forsyning. Lignende hindringer er også møtt på langsiktige plass oppdrag, der en resupply av ressurser fra jorden er ikke mulig. Det kreves en pålitelig maskinvare for livsstøtte, ved å bruke en effektiv luft revitalisering het som gir ca. 310 kg oksygen per besetningsmedlem per år, og ikke regnskap for ekstraordinære aktiviteter5. En effektiv Solar vann-splitting enhet, i stand til å produsere oksygen og hydrogen eller redusere karbondioksid Solar-assistert og i et monolittisk system ville gi et alternativ, lettere rute til tiden ansatt teknologier på ISS: luften revitalisering enhet består av et separert system med et alkalisk electrolyzer, et solid Amin karbondioksid konsentratoren og en Sabatier Reaktor for reduksjon av CO2.
Uhørt, innså vi effektiv Solar-hydrogen produksjon i mikrogravitasjon miljø, levert av en 9,3 s under fritt fall på Bremen drop Tower (ZARM, Tyskland)6. Ved hjelp av p-type Indium fosfid som en semiconducting lys-demper7,8 belagt med en nanostrukturerte Rhodium electrocatalyst, overvant vi substrat og produkt masseoverføring begrensninger til og fra photoelectrode overflaten, som er en hindring i redusert gravitasjon miljøer på grunn av fravær av oppdrift9,10. Anvendelsen av Shadow nanosphere litografi11,12 direkte på photoelectrode overflaten tillot dannelsen av Rhodium katalysator "hot spots", som forhindret hydrogengass boble Koalesens og dannelsen av et skum lag i nærheten av elektroden overflaten.
Heri gir vi eksperimentelle detaljer om p-InP photoelectrode forberedelse inkludert overflate etsing og condition, etterfulgt av anvendelse av skyggen nanosphere litografi på elektroden overflaten og photoelectrodeposition av Rhodium nanopartikler gjennom polystyren kuler. Videre er den eksperimentelle satt opp i drop Capsule ved Bremen drop Tower beskrevet og detaljer om den eksperimentelle sekvensen i løpet av 9,3 s av fritt fall er gitt. Sample avdrag og håndtering før og etter hver dråpe er skissert samt utarbeidelse av drop Capsule og dens utstyr for å operere belysning kilder, potentiostats, lukker kontroller og videokameraer på 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

Langsiktig plass flyreiser og CIS-Lunar forskning plattformer krever en bærekraftig og lett liv støtte maskinvare som kan være pålitelig ansatt utenfor Jordens atmosfære. Såkalt ' Solar Fuel ' enheter, for tiden utviklet for bakkenett søknader i søken etter å realisere en bærekraftig energi økonomi på jorden, gir lovende alternative systemer til eksisterende luft-revitalisering enheter ansatt på International Space Station (ISS) gjennom photoelectrochemical vann-splitting og hydrogen produksjon. En hindring for vann (Foto-) elektrolyse i redusert gravitasjon miljøer er fraværet av oppdrift og følgeskader, hindret gassboble utgivelse fra elektroden overflaten. Dette fører til dannelse av gassboble skum lag i nærheten av elektroden overflaten, fører til en økning i ohmsk motstand og celle-effektivitet tap på grunn av redusert masseoverføring av underlag og produkter til og fra elektroden. Nylig har vi demonstrert effektiv solenergi hydrogen produksjon i mikrogravitasjon miljø, ved hjelp av et integrert halvleder-electrocatalyst system med p-type Indium fosfid som lys-Absorber og en Rhodium electrocatalyst. Ved å nanostrukturering electrocatalyst ved hjelp av skygge nanosphere litografi og dermed skape katalysator ' på photoelectrode overflaten, kunne vi overvinne gassboble Koalesens og masseoverføring begrensninger og demonstrert effektiv hydrogen produksjon ved høy strøm tetthet i redusert gravitasjon. Her er de eksperimentelle detaljene er beskrevet for forberedelsene til disse nanostrukturerte enheter og videre på prosedyren for deres testing i mikrogravitasjon miljø, realisert ved Bremen drop Tower under 9,3 s av fritt fall.

Etsing av p-InP overflaten i br2/metanol for 30 s med påfølgende photoelectrochemical condition av prøven ved sykling polarisering i HCL er godt etablert i litteraturen og diskutert (for eksempel ved Schulte & Lewerenz (2001)14,15). Den etsing prosedyren fjerner innfødte oksid igjen på overflaten (figur 2) og elektrokjemiske sykling i HCL årsaker videre en betydelig økning i fyllfakt...

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-hydrogen produksjon har nylig blitt realisert på funksjonalisert halvledere-electrocatalyst systemer i en photoelectrochemical halv celle i mikrogravitasjon miljø ved Bremen drop Tower. Her rapporterer vi den eksperimentelle prosedyrer for produksjon av halvleder-electrocatalyst enhet, detaljer om den eksperimentelle satt opp i drop Capsule og eksperimentelle sekvensen under fritt fall.

Eksperimentelle metoder for effektiv Solar hydrogen produksjon i mikrogravitasjon 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 protokollen inneholder en trinnvis prosedyre for hvordan bygging av nanostrukturerte fotoelektroder for effektiv lettassistert hydrogenproduksjon i mikrogravitasjonsmiljøer. Det inkluderer også en elektrodetestprosedyre for hvordan man tester disse fotoelektrodene ved Bremen Drop Tower hvor 10 til minus seks g kan genereres på 9,2 sekunder med fritt fall. Det observeres av oss og andre forskningsteam at elektrokjemisk genererte gassbobler holder seg til elektrodeoverflaten i mikrogravitasjonsforhold på grunn av fravær av oppdrift.katalysator genererer katalytiske hotspots som forbedrer løsrivelse av gassbobler og den generelle effektiviteten. Prosedyrene vil bli demonstrert av Omer Akay, en utdannet student i vårt laboratorium ved FU Berlin. Til å begynne med, påfør sølvpasta for å feste OMEC-kontakten til en tynnbelagt kobbertråd.Tre tråden til et glassrør og bruk svart kjemikaliebestandig epoksy for å innkapsle P-type indiumfosfidprøve og forsegle den til glassrøret. Under en røykhette plasserer du det 0,5 kvadratcentimeter polerte indiumansikten til P-type indiumfosfid i 10 milliliter brom/metanolløsning i 30 sekunder for å etse for fjerning av innfødte oksider. Skyll deretter overflaten med etanol og ultrarent vann i 10 sekunder hver og tørk prøven under nitrogenfluks.Bruk en borosilikatglasscelle med et kvartsvindu som en fotoelektrokjemisk celle og plasser P-type indiumfosfidetrode i cellen i en standard treelektrodepotenstrotisk arrangement. Bruk en hvit lys wolfram halogenlampe for å belyse prøven under kondisjoneringsprosedyren. Juster lysintensiteten med en kalibrert silikonreferansefotodiode.Etter å ha renset saltsyre med nitrogen, fotoelektrokjemisk tilstand prøven med potentiodynamisk sykling med en skannehastighet på 50 millivolt per sekund i 50 sykluser under kontinuerlig belysning. I denne prosedyren brukes skygge nanosfærelografi for å danne rhodium nanostrukturer på P-type indiumfosfidetrode. Få en ferdig blanding av 300 mikroliter på 784 nanometer polystyrenperler og 300 mikroliter etanol som inneholder en vektvolumprosentstyrne og 0,1% svovelsyre.Bruk en Pasteur pipette med en buet spiss for å påføre løsningen på vannoverflaten. Vri petriskålen forsiktig for å øke arealet av monokrystallinske strukturer. Distribuer løsningen forsiktig for å dekke 50 % av luftvannsgrensesnittet med et sekskantet lukket monolag.Beskytt kobbertråden til fotoelektrokjemisk betent P-type indiumfosfidetroder med parafilm. Teip dem forsiktig til et mikroskopsklie og plasser elektrodene under den flytende tettpakkede polystyrensfæremasken. Hindre at prøvene roterer.Deretter bruker du en pipette til å forsiktig fjerne gjenværende vann og vente til den tørker. Dette fører til at masken senere deponeres på elektrodeoverflaten. Ta deretter elektroden ut av petriskålen og tørk forsiktig overflaten med nitrogen.Oppbevar elektroden under nitrogen i en desiccator. For å fotoelektrokjemisk deponere rhodium nanopartikler, legg elektroden i en elektrolyttløsning som inneholder rhodiumklorid, natriumklorid og isopropanol. Med en potentiostat, påfør et konstant potensial på 0,01 volt i fem sekunder under samtidig belysning med en wolfram jodlampe.Skyll deretter fotoelektrogen med ultrarent vann og tørk den under en mild strøm av nitrogen. For å fjerne polystyrenkulene fra elektrodeoverflaten, legg elektrodene i et beger med 10 milliliter toluen og rør forsiktig i 20 minutter. Skyll deretter elektroden med aceton og etanol i 20 sekunder hver.For gassbobleundersøkelser, fest to kameraer til hver fotoelektrokjemiske celle for å registrere gassbobleutvikling via optiske speil og strålesplittere. Monter det fotoelektrokjemiske oppsettet og kameraene på et optisk kort og fest det til et av de midterste brettene i kapselen. Bruk de resterende styrene for avdrag av ekstra utstyr som potensistater og lukkerkontroller, lyskilder og borddatamaskinen.Koble til en batteritilførsel nederst på kapselen for å drive oppsettet under fritt fall. Skriv en automatisert drop-sekvens for de eksperimentelle trinnene som skal kontrolleres og utføres i mikrogravitasjonsmiljø. Opprettholde eksperimentet i fritt fall samt 45-minutters kapsel utvinning etter fallet.For å undersøke lettassistert hydrogenproduksjon på prøvene, utfør syklisk voltammetri og kronostemplometri. I sykling voltammetry eksperimenter, sette opp skannehastigheter for de to potensiostater på 218 millivolt per sekund til 235 millivolt per sekund for optimale oppløsninger i fotostrøm spenning målinger. Bruk spenningsområder på 0,25 volt til negative 0,3 volt versus sølv-sølvkloridreferanseelektroden.Benytt det opprinnelige potensialet på 0,2 volt verus sølv-sølv klorid referanse elektrode og en etterbehandling potensial på 0,2 volt versus sølv-sølv klorid referanse elektrode. I kronoformetrisk måling bruker du tidsskalaen for det genererte mikrogravitasjonsmiljøet 9,3 sekunder for å registrere fotostrømmen som produseres av prøven. Påfør potensielle områder av negative 0,3 volt til negative 0,6 volt versus sølv-sølv klorid referanseelektrode for å sammenligne produsert fotostrøm.Kjør tre skannesykluser. Hvis du vil sammenligne de registrerte fotostrømspenningsmålingene, tar du den andre skannesyklusen for hvert eksperiment for analyse. Etter at kapselen er hentet ut av retardasjonsbeholderen, fjerner du kapselbeskyttelsesskjoldet.Fjern prøvene fra pneumatisk stative, skyll dem med ultrapure vann og tørk dem under mild nitrogen flux. Oppbevar dem under nitrogenatmosfære til optiske og spektroskopiske undersøkelser utføres. Tapping modus atomkraft mikroskopi av P-type indium fosfitid overflaten før modifisering, etter etsing i brom / metanol løsning, og etter elektrokjemisk sykling i saltsyre viser etsing prosedyren fjerner det innfødte oksidet som gjenstår på overflaten.Elektrokjemisk sykling i saltsyre forårsaker en betydelig økning i fyllfaktoren for celleytelsen ledsaget av et flatt båndskift av P-type indiumfosfid fra 0,56 volt til 0,69 volt. Den avseponerte polystyrenpartikkelmonolaget på P-type indiumfosfitidsubstrat og overflaten etter avsetning av rhodium og fjerning av polystyrenpartiklene er vist gjennom AFM-topografi. Anvendelsen av skygge nanosfæren litografi resulterer i en nanosized todimensjonal periodisk rhodium struktur med et homogent utvalg av hull i metallisk gjennomsiktig rhodium film.Afm-bildet med høy oppløsning illustrerer cellestrukturen til sekskantet enhet med gjenkjennelige korn av rhodium. Høydeprofilen på tre flekker på elektrodeoverflaten viser at rhodiumnettet er homogent fordelt på P-type indiumfosfidoverflate med en høyde på ca. 10 nanometer som danner et katalytisk lag. Fotostrømspenningsegenskapene og kronamperometriske målinger av nanostrukturerte P-type indiumfosfisid rhodium fotoelektroder i terrestriske og mikrogravitasjonsmiljøer viser ikke signifikante forskjeller.Viktigst, før du faktisk lukker dråpekapselen, fjern løse skruer og kabler som ikke er strammet. Gjenværende skruer kan ødelegge det eksperimentelle oppsettet og instrumentene under fritt fall. rhodium, kan man Dette resulterer i ulike elektrocatalytic nanostrukturer som resulterer i ulike effektivitetsforhold.Dette er mest sannsynlig det samme tilfellet i mikrogravitasjonsmiljøer. Demonstrasjonen av effektiv fotoelektrokjemisk hydrogenproduksjon i mikrogravitasjonsmiljøet åpner opp nye veier for produksjon av oksygen og solenergi i verdensrommet og kan bidra til realisering av langsiktig romfart.

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

Tynnsjiktskromatografiske (TLC) separasjoner og biologiske tester av planteekstrakter for å identifisere 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 Partisjone ved høyt trykk og temperatur: Eksperimentelle metoder og en protokoll som skal utelates Meget Siderophile Element Slutninger

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

Kritisk Nitrogen Processing for rensing av reaktiv 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-likevekt Mikrobølge Plasma for effektiv høy temperatur kjemi

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

Påvirkning av Hybrid perovskitt fabrikasjon metoder på filmdannelse, Elektronisk struktur og Solar Cell Ytelse

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 for utvinning og analyse med høyt trykk væske kromatografi katekolaminer nevrotransmittere 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

Viktige faktorer som påvirker ytelsen Sb2S3-sensitivisert solceller under en Sb2S3 avsetning via SbCl3-thiourea komplekse 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-bearbeidet "Silver-Vismut-jod" trefoldig tynne filmer for blyfri Photovoltaic dempere

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-inspirert Polydopamine overflaten modifikasjon av Nanodiamonds og dens reduksjon av Silver 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 deponering av likestrøm Sputtering og påfølgende oksidering og reduksjon med atomisk oksygen og Atom Hydrogen

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 ...