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. признает финансирование из программы стипендий Немецкой национальной академии наук Леопольдины, грантLPS 2016-06 и Европейского космического агентства. Кроме того, она хотела бы поблагодарить д-ра Леопольда Саммерера, команду Advanced Concepts Team, Алана Доусона, д-ра Джека ван Лоуна, д-ра Габора Милассина и д-ра Роберта Линднера (ESTEC), Робберта-Яна Нурдама (Notese) и профессора Гарри Б. Грея (Caltech) за их большую поддержку. M.H.R. благодарна за щедрую поддержку профессора Натана С. Льюиса (Caltech). K.B. и M.H.R. признают поддержку Со стороны Института Бекмана Калифорнийского технологического института и Исследовательского центра молекулярной материалов. Команда PhotoEChem высоко ценит финансирование со стороны Германского аэрокосмического центра (Deutsches Centerr f'r Luft- und Raumfahrt e.V.) для проекта No 50WM1848. Кроме того, M.G. признает финансирование из Гуандун Инновационной и предпринимательской команды программы под названием "Плазмонные наноматериалы и квантовые точки для управления светом в оптоэлектронных устройств" (No 2016-T06C517). Кроме того, авторская группа высоко ценит усилия и поддержку со стороны команды ЗАРМ с Дитером Бишоффом, Торстеном Лутцем, Маттиасом Мейером, Фредом Откеном, Яном Зимерсом, д-ром Мартином Кастильо, Магдаленой Тод и доктором Торбеном Кёнеманном. Он также благодарен за просветительские беседы с профессором Ясухиро Фукунакой (Университет Васэда), профессором Хисаёси Мацусимой (Университет Хоккайдо) и доктором Слободаном Митровичем (Lam Research).

1. Подготовка фотоэлектродов p-InP
<ol><li>Используйте один кристалл p-InP (ориентация (111 A), концентрация допинга в размере 5 х 1017 см-3) в качестве фотоабсорбциера. Для подготовки к задней контакту испаритесь 4 нм Au, 80 нм и 150 нм Au на обратной стороне и нагреть его до 400 градусов по Цельси...

<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>

Для приготовления фотоэлектродов важно минимизировать воздействие кислорода между травлением и процедурой кондиционирования и очистить 0,5 М ЛЦ перед использованием около 10 - 15 мин с азотом. После того, как образцы кондиционируются, они могут храниться в атмосфере азота в 15 мл коническ?...

Наша атмосфера на Земле формируется в результате кислородного фотосинтеза, процесса 2,3 миллиарда лет, преобразующего солнечную энергию в богатые энергией углеводороды, высвобождая кислород в качестве побочного продукта и используя воду и CO2 в качестве субстратов. В настоящее время искусственные фотосинтетические системы, следуя концепции энергетической схемы катализа и передачи заряда в естественном фотосинтезе, реализуются в полупроводниковых электрокатализаторских системах, показывая до сих пор эффективность преобразования солнечной к водороду 19 %1,2. В этих системах полупроводниковые материалы используются в качестве легких амортизаторов, покрытых тонким прозрачным слоем электрокатализаторов4. Интенсивные исследования в этой области способствуют глобальному поиску возобновляемых энергетических систем с водородом и длинноцепочечными углеводородами, что делает отличными кандидатами на альтернативное топливо. Аналогичные препятствия существуют и в долгосрочных космических миссиях, где пополнение ресурсов с Земли невозможно. Требуется надежное аппаратное обеспечение жизнеобеспечения, использующий эффективный блок оживления воздуха, обеспечивающий около 310 кг кислорода на одного члена экипажа в год, не учитывающий внекорачную деятельность5. Эффективное солнечное устройство для разделения воды, способное производить кислород и водород или уменьшать углекислый газ солнечной помощи и в монолитной системе обеспечит альтернативный, легкий маршрут к используемым в настоящее время технологиям на ISS: блок оживления воздуха состоит из разделенной системы с щелочным электролизером, концентратором твердого углекислого газа амина и Сабатье реактором для уменьшения CO2.
Беспрецедентно, мы реализовали эффективное производство солнечной водорода в условиях микрогравитации, обеспечиваемое 9,3 с во время свободного падения в Бременском Drop Tower (ЗАРМ, Германия)6. Используя р-тип фосфида в качестве полупроводникового светопоглощателя7,8, покрытый наноструктурированным электрокатализатором родия, мы преодолели ограничения субстрата и массы продукта на и с фотоэлектродной поверхности, что является препятствием в условиях пониженной гравитации из-за отсутствия плавучести9,10. Применение теневой наносферной литографии11,12 непосредственно на фотоэлектродной поверхности позволило сформировать родий-каталитические «горячие точки», которые препятствовали слиянию пузырьов водородного газа и образованию слоя пены в непосредственной близости от поверхности электрода.
В этом материале мы предоставляем экспериментальные детали фотоэлектродного препарата p-InP, включая офорт и кондиционирование поверхности, а затем применение теневой наносферной литографии на поверхности электрода и фотоэлектродепозицию родия наночастицы через полистирол сферы. Кроме того, описана экспериментальная установка в капсуле капли в Бременском Дрог-Тауэр и приведены детали экспериментальной последовательности во время 9,3 с свободного падения. Образец рассрочки и обработки до и после каждой капли изложены, а также подготовка капсулы падения и ее оборудования для работы источников освещения, potentiostats, затвора управления и видеокамеры по команде.

<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

Долгосрочные космические полеты и научно-исследовательские платформы cis-lunar нуждаются в устойчивом и легком аппаратном обеспечении жизнеобеспечения, которое может быть надежно использовано за пределами атмосферы Земли. Так называемые устройства «солнечного топлива», разработанные в настоящее время для наземного применения в поисках устойчивой энергетической экономики на Земле, обеспечивают перспективные альтернативные системы существующим подразделениям по оживлению воздуха, используемым на Международном пространстве станция (ISS) через фотоэлектрохимическое водорасщеление и производство водорода. Одним из препятствий для воды (фото-) электролиза в условиях пониженной гравитации является отсутствие плавучести и, как это, препятствует выбросу газового пузыря из поверхности электрода. Это приводит к образованию слоев пузырьков газа в непосредственной близости от поверхности электрода, что приводит к увеличению устойчивости к онмии и потери клеточной эффективности из-за снижения массовой передачи субстратов и продуктов к и из электрода. Недавно мы продемонстрировали эффективное производство солнечного водорода в условиях микрогравитации, используя интегрированную полупроводниково-электрокатализаторную систему с фосфидом р-типа в качестве светопоглощателя и родийского электрокатализатора. Путем наноструктуры электрокатализатора с помощью теневой наносферной литографии и тем самым создавая каталитические «горячие точки» на фотоэлектродной поверхности, мы смогли преодолеть ограничения на слияние газовых пузырей и передачу массы и продемонстрировать эффективный водород производства при высокой плотности течения в условиях уменьшенной гравитации. Здесь описаны экспериментальные детали для подготовки этих наноструктурированных устройств и далее, процедуры их тестирования в условиях микрогравитации, реализованной в Бременском drop Tower в течение 9,3 с свободного падения.

Офорт поверхности p-InP вBr 2/ метанол для 30 s с последовательным фотоэлектрохимическим кондиционированием образца путем циклиичной поляризации в HCl хорошо зарекомендовал себя в литературе и обсуждается (например, Шульте и Леверенц (2001)14,<sup class="xref"...

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

Эффективное производство солнечно-водородного топлива недавно было реализовано на функционализированных полупроводниковых электрокатализаторских системах в фотоэлектрохимической полуэлементе в микрогравитационной среде в Бременском дроп-тауэр. Здесь мы сообщаем об экспериментальных процедурах производства полупроводниково-электрокатализаторского устройства, подробностях экспериментальной установки в капсуле падения и экспериментальной последовательности во время свободного падения.

Экспериментальные методы эффективного производства солнечного водорода в микрогравитационной среде

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

Этот протокол включает в себя пошаговую процедуру построения наноструктурированных фотоэлектрических систем для эффективного производства водорода с помощью света в условиях микрогравитации. Она также включает в себя процедуру испытания электрода о том, как проверить эти фотоэлектрические на Бремен Drop Tower, где от 10 до минус шести г могут быть созданы в 9,2 секунды свободного падения. Мы и другие исследовательские группы наблюдаем, что электрохимически генерируемые пузырьки газа прилипают к поверхности электрода в условиях микрогравитации из-за отсутствия плавучести.катализатор генерирует каталитические горячие точки, что улучшает отслоение пузырьков газа и общую эффективность. Процедуры продемонстрируют Омер Акай, аспирант нашей лаборатории в FU Berlin. Для начала нанесите серебряную пасту, чтобы прикрепить контакт OMEC к тонкой помытой медной проволоке.Нить провода к стеклянной трубке и использовать черный химически устойчивых эпоксидной смолы инкапсулировать P-типа фосфида образца и запечатать его на стеклянную трубку. Под капотом дыма, поместите 0,5 квадратных сантиметров полированной циндий лицо P-типа фосфида индия в 10 миллилитров брома / метанола раствор в течение 30 секунд, чтобы etch для удаления местных оксидов. Затем промыть поверхность этанолом и ультрачистой водой в течение 10 секунд каждый и высушить образец под потоком азота.Используйте борозиликатную стеклянную ячейку с кварцевым окном в качестве фотоэлектрической ячейки и поместите электрод фосфида P-типа в клетку в стандартном трехэлектродном потенциозатном расположении. Используйте белую свет вольфрама галогенной лампы для освещения образца во время процедуры кондиционирования. Отрегулируйте интенсивность света с помощью откалиброванного кремниевого эталонного фотодиода.После очистки соляной кислоты азотом, фотоэлектрохимически состояние образца с потенцирующим езда на велосипеде со скоростью сканирования 50 милливольт в секунду в течение 50 циклов под непрерывным освещением. В этой процедуре теневая наносферная литография применяется для формирования наноструктур родия на электроде фосфида P-типа. Получить готовую смесь из 300 микролитров 784 нанометровых полистироловых бусин и 300 микролитров этанола, содержащих один вес объема процентов стирол и 0,1% серной кислоты.Используйте пипетку Pasteur с изогнутым наконечником, чтобы нанесите раствор на поверхность воды. Поверните чашку Петри осторожно, чтобы увеличить площадь монокристаллических структур. Тщательно распределите раствор, чтобы покрыть 50% воздушно-водяного интерфейса шестиугольным закрытым упакованным монослойным.Защитите медную проволоку фотоэлектрических кондиционированных электродов P-типа фосфид P-типа с помощью парафильма. Аккуратно приклейте их к скольжению микроскопа и поместите электроды под плавающую близкую упакованную маску из полистирола. Предотвращение вращения образцов.После этого используйте пипетки, чтобы аккуратно удалить остаточную воду и ждать, пока она высохнет. Это приводит к тому, что маска впоследствии откладывается на поверхности электрода. Затем вывихите электрод из чашки Петри и аккуратно высушите поверхность азотом.Храните электрод под азотом в децикаторе. Для фотоэлектрохимического отложения наночастиц родия поместите электрод в электролитный раствор, содержащий хлорид родия, хлорид натрия и изопропанол. С potentiostat, применять постоянный потенциал 0,01 вольт в течение пяти секунд при одновременном освещении с вольфрама йодной лампы.Затем промыть фотоэлектрод с ультрапурной водой и высушить его под нежным потоком азота. Чтобы удалить полистироловые сферы с поверхности электрода, поместите электроды в стакан с 10 миллилитров толуола и осторожно перемешать в течение 20 минут. Впоследствии промыть электрод ацетоном и этанолом в течение 20 секунд каждый.Для исследования пузырьков газа приложите две камеры к каждой фотоэлектрохимической ячейке для записи эволюции пузырьков газа с помощью оптических зеркал и сплиттеров пучка. Накрепите фотоэлектрохимическую установку и камеры на оптическую доску и прикрепите ее к одной из средних досок капсулы. Используйте оставшиеся доски для рассрочки дополнительного оборудования, такого как potentiostats и элементы управления затвором, источники света и настольный компьютер.Прикрепите аккумуляторную батарею на нижней доске капсулы для питания установки во время свободного падения. Напишите автоматизированную последовательность капель для экспериментальных шагов, которые будут контролироваться и осуществляться в условиях микрогравитации. Поддерживайте эксперимент в свободном падении, а также 45-минутное восстановление капсулы после падения.Для исследования легкого производства водорода на образцах, проводить циклические вольтамметрии и хрономперометрии. В велосипедных экспериментов вольтамметрии, создать скорость сканирования для двух potentiostats на 218 милливольт в секунду до 235 милливольт в секунду для оптимального разрешения в измерениях фототокового напряжения. Используйте диапазоны напряжения от 0,25 вольт до отрицательных 0,3 вольт по сравнению с серебристо-серебряным хлоридом эталонного электрода.Идюди первоначальный потенциал на 0,2 вольт верус серебристо-серебряный хлорид эталонный электрод и отделочные потенциал на 0,2 вольт по сравнению с серебристо-серебряный хлорид эталонный электрод. При хрономперометрическом измерении используйте шкалу времени генерируемой микрогравитационной среды 9,3 секунды для записи фототока, производимого образцом. Применить потенциальные диапазоны отрицательных 0,3 вольт до отрицательных 0,6 вольт по сравнению с серебристо-серебряный хлорид ссылка электрод для сравнения производства фототока.Вы запустите три цикла сканирования. Чтобы сравнить записанные измерения напряжения фототока, возьмите второй цикл сканирования каждого эксперимента для анализа. После извлечения капсулы из контейнера замедления, удалите защитный щит капсулы.Удалите образцы из пневматического стентатива, промойте их ультрачистой водой и высушите их под нежным потоком азота. Храните их в азотной атмосфере до проведения оптических и спектроскопических исследований. Нажатие режима атомной силовой микроскопии поверхности фосфида P-типа перед модификацией, после травления в растворе брома/метанола, а после электрохимического езды на велосипеде в соляной кислоте показывают, что процедура травления удаляет местный оксид, оставшийся на поверхности.Электрохимическая езда на велосипеде в соляной кислоте приводит к значительному увеличению коэффициента заполнения производительности клетки, сопровождаемого сдвигом плоской полосы фосфида циндия P-типа с 0,56 вольт до 0,69 вольт. Отложенная монослойная частица полистирола на субстрате фосфида P-типа и поверхность после осаждения родия и удаления частиц полистирола показаны через топографию AFM. Применение теневой наносферной литографии приводит к наноразмерной двумерной периодической структуре родия с однородным массивом отверстий в металлической прозрачной родиевой пленке.Изображение AFM высокого разрешения иллюстрирует шестиугольную структуру клеток единицы с узнаваемыми зернами родия. Высота профиля трех пятен на поверхности электрода показывает, что сетка родия однородно распределена по поверхности фосфида P-типа с высотой около 10 нанометров, образующих каталитический слой. Характеристики фототокового напряжения и хрономперометрические измерения наноструктурированных фосфидных фотоэлектрозов фосфида P-типа в наземных и микрогравитационных средах не показывают существенных различий.Самое главное, прежде чем фактически закрыть капсулу падения, удалить свободные винты и кабели, которые не затягиваются. Оставшиеся винты могут уничтожить экспериментальную установку и инструменты во время свободного падения. родий, можно было бы Это приводит к различным электрокаталитических наноструктур, в результате чего различные условия эффективности.Это, скорее всего, тот же случай в условиях микрогравитации. Демонстрация эффективного фотоэлектрического производства водорода в условиях микрогравитации открывает новые пути для производства кислорода и солнечного топлива в космосе и может способствовать реализации долгосрочных космических путешествий.

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

Тонкослойная Хроматографическое (ТСХ) Разделение и Биоанализы растительных экстрактов для идентификации антимикробные соединения

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

Металл-силикат разделов при высоких давлении и температуре: Экспериментальные методы и протокола для подавления Высоко сидерофильных элементные включений

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

Обработка сверхкритической азота для очистки реактивных пористых материалов

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

Неравновесная микроволновая плазма для эффективной высокотемпературной химии

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

Влияние гибридных методов перовскита на пленке Изготовление формирования, электронная структура и производительность солнечных батарей

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

Удобный метод для извлечения и анализа с высокого давления жидкостной хроматографии и их метаболитов катехоламинов нейротрансмиттеров

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

Ключевые факторы, влияющие на производительность Sb2S3-сенсибилизированных солнечных батарей во время Sb2S3 осаждения через SbCl3-тиокарбамид сложные решения обработка

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

Решение обработано «Серебро висмут йод» тройных тонких пленок для свинца фотоэлектрических амортизаторы

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

Био вдохновил Polydopamine поверхности модификация наноалмазов и его сокращение наночастиц серебра

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 фильм подготовка через UO2 осаждения путем распыления постоянного тока и последовательных окисления и сокращения с атомарного кислорода и атомарного водорода

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 ...