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. erkänner finansiering från Fellowship-programmet för den tyska nationella vetenskapsakademin Leopoldina, Grant LPDS 2016-06 och Europeiska rymdorganisationen. Dessutom skulle hon vilja tacka Dr Leopold Summerer, den avancerade Concepts team, Alan Dowson, Dr. Jack van Loon, Dr Gabor Milassin och Dr Robert Lindner (ESTEC), Robbert-Jan Noordam (Notese) och prof. Harry B. Gray (Caltech) för deras stora stöd. M.H.R. är tacksam för generöst stöd från prof. Nathan S. Lewis (Caltech). K.B. och M.H.R. bekräftar stöd från Beckman Institute of California Institute of Technology och molekylär Materials Research Center. Photoechem team erkänner starkt finansiering från den tyska Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V.) för projektet nr 50WM1848. Dessutom erkänner M.G. finansiering från Guangdong innovativa och entreprenöriella team program med titeln "Plasmonic nanomaterial och kvantprickar för ljus hantering i Optoelectronic enheter" (nr 2016ZT06C517). Vidare erkänner författaren laget mycket ansträngning och stöd från ZARM laget med Dieter Bischoff, Torsten Lutz, Matthias Meyer, fred Oetken, Jan Siemers, Dr Martin Castillo, Magdalena Thode och Dr Thorben Könemann. Det är också tacksam för upplysande diskussioner med prof. Yasuhiro Fukunaka (Waseda University), Prof. Hisayoshi Matsushima (Hokkaido University) och Dr Slobodan Mitrovic (lam Research).

1. beredning av p-InP-fotoelektroder
<ol><li>Använd Single Crystal p-InP (orientering (111 A), Zn dopning koncentration av 5 × 1017 cm-3) som photoabsorber. För den bakre kontakt beredningen, avdungra 4 Nm au, 80 Nm Zn och 150 Nm au på baksidan av Wafer och värm den till 400 ° c för 60 s.</li>
	<li>Applicera AG pasta för att fästa ohmsk kontakt till en tunnpläterad Cu tråd. Trä tråden till ett glasrör, kapsla in provet och försegla det till glasröret med hjälp av svart, kemikalieb...

<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>

För beredning av foto elektroder, är det viktigt att minimera syre exponeringen mellan etsning och konditioneringen förfarande och att rensa 0,5 M HCl före användning för ca 10-15 min med kväve. När proverna har konditioneras kan de lagras under kväveatmosfär i 15 mL koniska rör under några timmar för att tillåta provtransport och/eller förberedelsetid för partikel maskerna av polystyren. För att uppnå ett homogent arrangemang av PS spheres på elektrod substrat, är det viktigt att bilda en kontinuerli...

Vår atmosfär på jorden bildas genom syrerik fotosyntes, en 2 300 000 000-årig process som omvandlar solenergi till energirika kolväten, frigör syre som en biprodukt och använder vatten och co2 som substrat. För närvarande, konstgjorda fotosyntetiska system efter begreppet energiska Z-system för katalys och laddning överföring i naturlig fotosyntes realiseras i halvledare-elektrokatalysator system, visar hittills en sol-till-väte omvandlings effektivitet av 19%1,2,3. I dessa system används halvledarmaterial som ljusabsorbenter som är belagda med ett tunt, transparent skikt av elektrokatalysatorer4. Intensiv forskning inom detta område främjas av den globala strävan efter förnybara energisystem med vätgas och långkedjiga kolväten som gör utmärkta kandidater för en alternativ bränsletillförsel. Liknande hinder ställs också inför långsiktiga rymduppdrag, där det inte är möjligt att återleverera resurser från jorden. En pålitlig livsuppehållande maskinvara krävs, anställa en effektiv luft vitalisering enhet som ger ca 310 kg syre per besättningsmedlem per år, inte redovisning för Extravehicular verksamhet5. En effektiv sol vatten-uppdelning enhet, som kan producera syre och väte eller minska koldioxid Solar-Assisted och i ett monolitiskt system skulle ge en alternativ, lättare väg till nuvarande anställd teknik på ISS: luften vitalisering enhet består av ett separerat system med en alkalisk elektrolyserare, en solid Amin koldioxid koncentrator och en Sabatier reaktor för minskning av CO2.
Exempelöst insåg vi effektiv sol-väteproduktion i i mikrogravitation miljö, som tillhandahålls av en 9,3 s under Free-fall på Bremen Drop Tower (Zarm, Tyskland)6. Använda p-typ indium fosfid som en halvledande ljus-absorbator7,8 belagd med en Nanostrukturerad Rhodium elektrokatalysator, vi övervann substrat och produkt massöverföring begränsningar till och från photoelektrod ytan, vilket är ett hinder i minskad gravitation miljöer på grund av frånvaron av flytkraft9,10. Tillämpningen av Shadow som litografi11,12 direkt på photoelektrod ytan tillät bildandet av Rhodium katalytiska "hot spots", som förhindrade vätegas bubbla koalescens och bildandet av ett skumskikt i närheten av elektrod ytan.
Häri ger vi experimentella uppgifter om p-INP photoelektrod beredning inklusive yta etsning och konditionering, följt av tillämpningen av Shadow som litografi på elektrod ytan och photoelectrodeposition av Rhodium nanopartiklar genom polystyren sfärer. Dessutom beskrivs den experimentella uppsättningen i dropp kapseln på Bremens Drop Tower och detaljerna i den experimentella sekvensen under 9,3 s av fritt fall tillhandahålls. Prov avbetalning och hantering före och efter varje droppe beskrivs samt beredning av Drop Capsule och dess utrustning för att driva belysning källor, potentiostater, slutare kontroller och videokameror 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

Långsiktiga rymdflygningar och CIS-Lunar forskningsplattformar kräver en hållbar och lätt livs-stöd hårdvara som kan tillförlitligt användas utanför jordens atmosfär. Så kallade "Sol bränsle" anordningar, som för närvarande utvecklats för markbundna tillämpningar i sökandet efter att realisera en hållbar energi ekonomi på jorden, ge lovande alternativa system till befintliga luft-vitalisering enheter som används på den internationella rymden Station (ISS) genom foto elektrokemisk vatten delning och väteproduktion. Ett hinder för vatten (foto-) elektrolys i minskad gravitation miljöer är frånvaron av flytkraft och den påföljande, hindras gasbubbla release från elektrod ytan. Detta orsakar bildandet av gasbubbla skumlager i närheten av elektrod ytan, vilket leder till en ökning av ohmsk motstånd och cell-effektivitet förlust på grund av minskad massöverföring av substrat och produkter till och från elektroden. Nyligen har vi visat effektiv produktion av sol väte i i mikrogravitation miljö, med hjälp av en integrerad halvledar-elektrokatalysator system med p-typ indium fosfid som ljus-absorbator och en Rhodium elektrokatalysator. Genom nanostrukturering av elektrokatalysatorn med Shadow som litografi och därigenom skapa katalytiska "hot spots" på photoelektrod ytan, kunde vi övervinna gasbubbla återförening och massöverföring begränsningar och visat effektivt väte produktion vid hög Ströms tätheter i reducerad gravitation. Här är de experimentella detaljerna beskrivs för förberedelserna av dessa nanostrukturerade enheter och vidare, förfarandet för deras testning i i mikrogravitation miljö, insåg vid Bremen Drop Tower under 9,3 s av fritt fall.

Etsning av p-INP-ytan i br2/metanol för 30 s med på varandra följande photoelectrochemical villkora av ta prov, genom att cykla polarisering i HCL är väl etablerat i litteraturen och diskuterat (e.g., vid Schulte & lewerenz (2001)14,15). Den etsning förfarande tar bort den inhemska oxid kvar på ytan (figur 2) och elektrokemisk cykling i HCL orsakar dessutom en avsevärd ökning av fy...

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 sol-väteproduktion har nyligen realiserats på funktionaliserade halvledar-elektrokatalysatorer i en fotoelektrokemisk halvcell i i mikrogravitation miljö vid Bremen Drop Tower. Här rapporterar vi experimentella procedurer för tillverkning av halvledar-elektrokatalysatorn, detaljer om den experimentella uppsättningen i dropp kapseln och den experimentella sekvensen under fritt fall.

Experimentella metoder för effektiv produktion av sol väte i Mikrogravitations miljö

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

Detta protokoll innehåller ett stegvis förfarande för hur man konstruerar nanostrukturerade fotoelektroder för effektiv ljusassisterad väteproduktion i mikrogravitationsmiljöer. Den innehåller också en elektrod testförfarande för hur man testar dessa fotoelektroder vid Bremen Drop Tower där 10 till minus sex g kan genereras i 9,2 sekunder av fritt fall. Det observeras av oss och andra forskargrupper att elektrokemiskt genererade gasbubblor fastnar på elektrodytan i mikrogravitationsförhållanden på grund av frånvaron av flytkraft.katalysator genererar katalytiska hotspots som förbättrar avlossningen av gasbubblor och den totala effektiviteten. Rutinerna kommer att demonstreras av Omer Akay, en doktorand i vårt laboratorium på FU Berlin. Till att börja med applicera silverpasta för att fästa OMEC-kontakten på en tunnpläterad koppartråd.Trä tråden till ett glasrör och använd svart kemikaliebeständig epoxi för att kapsla in indiumfosfidprovet av P-typ och försegla det till glasröret. Under en rökhuva, placera 0,5 kvadratcentimeter polerad indium ansikte av P-typ indiumfosfid i 10 milliliter brom / metanol lösning i 30 sekunder till etsa för att ta bort inhemska oxider. Skölj sedan ytan med etanol och ultrarent vatten i 10 sekunder vardera och torka provet under kvävefluss.Använd en cell av typen borosilikatglas med kvartsfönster som fotoelektrokemisk cell och placera indiumfosfidelektroden av P-typ i cellen i ett vanligt treelektrodpotentiostatiskt arrangemang. Använd en vitt ljus volfram halogenlampa för att belysa provet under konditioneringsproceduren. Justera ljusintensiteten med en kalibrerad referensdidiod av kisel.Efter att ha rensytat saltsyran med kväve, villkoras provet fotoelektrokemiskt med potentiodynamisk cykling vid en skanningsgrad på 50 millivolt per sekund under 50 cykler under kontinuerlig belysning. I detta förfarande, skugga nanosfären litografi tillämpas för att bilda rodium nanostrukturer på P-typ indium fosfid elektrod. Få en färdig blandning av 300 mikroliter av 784 nanometer polystyren pärlor och 300 mikroliter av etanol som innehåller en vikt volym procent styren och 0,1%svavelsyra.Använd en Pasteurpipett med böjd spets för att applicera lösningen på vattenytan. Vrid petriskålen försiktigt för att öka området för de monokristalliniska strukturerna. Fördela lösningen försiktigt för att täcka 50%av luft-vattengränssnittet med ett sexkantigt slutet packat monolager.Skydda koppartråden på de fotoelektrokemiskt betingade indiumfosfidelektroderna av P-typ med parafilm. Tejpa försiktigt fast dem på ett mikroskop glida och placera elektroderna under flytande nära packade polystyren sfär mask. Förhindra att proverna roterar.Därefter använder du en pipett för att försiktigt ta bort restvatten och vänta tills den torkar. Detta gör att masken därefter sätts in på elektrodytan. Ta sedan ut elektroden ur petriskålen och torka försiktigt ytan med kväve.Förvara elektroden under kväve i en exsiccator. För att fotoelektrokemiskt deponera nanopartiklar av rodium, placera elektroden i en elektrolytlösning som innehåller rodiumklorid, natriumklorid och isopropanol. Med en potentiostat, applicera en konstant potential på 0,01 volt i fem sekunder under samtidig belysning med en volfram jodlampa.Skölj sedan fotoelektroden med ultrarent vatten och torka den under ett skonsamt flöde av kväve. För att avlägsna polystyrensfärerna från elektrodytan, placera elektroderna i en bägare med 10 milliliter toluen och rör försiktigt om i 20 minuter. Därefter skölj elektroden med aceton och etanol i 20 sekunder vardera.För gas bubbla undersökningar, bifoga två kameror till varje fotoelektrokemisk cell för att spela in gas bubbla evolution via optiska speglar och balk splitters. Montera den fotoelektrokemiska installationen och kamerorna på en optisk bräda och fäst den på en av de mellersta brädorna på kapseln. Använd de återstående brädorna för avbetalning av extra utrustning som potentiostator och slutarkontroller, ljuskällor och brädans dator.Fäst en batteriförsörjning i bottenbrädan på kapseln för att driva uppställningen under fritt fall. Skriv en automatiserad släppsekvens för de experimentella stegen som ska kontrolleras och utföras i mikrogravitationsmiljö. Underhåll experimentet i fritt fall samt 45-minuters kapselåterhämtning efter droppen.För att undersöka ljusassisterad vätgasproduktion på proverna, utför cyklisk voltametri och kronoamperometri. I cykling voltametri experiment, inrätta scan priser för de två potentiostats på 218 millivolt per sekund till 235 millivolt per sekund för optimala upplösningar i fotoström spänning mätningar. Använd spänningsintervall på 0,25 volt till negativa 0,3 volt mot referenselektroden silver-silverklorid.Använd den ursprungliga potentialen på 0,2 volt verus silver-silverklorid referenselektrod och en efterbehandling potential på 0,2 volt kontra silver-silver klorid referenselektrod. I chronoamperometric mätning, använd tidsskalan för den genererade mikrogravitationsmiljön 9,3 sekunder för att spela in den fotoström som produceras av provet. Applicera potentiella intervall av negativa 0,3 volt till negativa 0,6 volt kontra silver-silverklorid referenselektrod att jämföra producerad fotoström.Kör tre skanningscykler. För att jämföra de inspelade fotoströmspänningsmätningarna, ta den andra skanningscykeln av varje experiment för analys. När kapseln hämtats från inbromsningsbehållaren avlägsnas kapselskyddsskölden.Ta bort proverna från pneumatiska stative, skölj dem med ultrarent vatten och torka dem under skonsamt kvävefluss. Förvara dem under kväveatmosfär tills optiska och spektroskopiska undersökningar utförs. Tappningsläge atomkraftmikroskopi av P-typ indiumfosfidytan före modifiering, efter etsning i brom/metanollösning, och efter elektrokemisk cykling i saltsyra visar etsningsproceduren avlägsnar den inhemska oxid som finns kvar på ytan.Elektrokemisk cykling i saltsyra orsakar en avsevärd ökning av fyllningsfaktorn för cellens prestanda åtföljd av en platt bandförskjutning av indiumfosfiden av P-typ från 0,56 volt till 0,69 volt. Monolayer av avlagd polystyrenpartikel på P-typ indiumfosfidsubstrat och ytan efter deponering av rodium och avlägsnande av polystyrenpartiklarna visas genom AFM-topografi. Tillämpningen av skuggnanosfärlitografi resulterar i en nanodimensionerad tvådimensionell periodisk rodiumstruktur med en homogen samling av hål i den metalliska transparenta rodiumfilmen.Den högupplösta AFM bilden illustrerar den sexkantiga enhet cellstruktur med igenkännliga korn av rodium. Höjdprofilen för tre fläckar på elektrodytan visar att rodiumnätet är homogent fördelat på indiumfosfidytan av P-typ med en höjd av ca 10 nanometer som bildar ett katalytiskt skikt. De fotoströmsspänningsegenskaper och kronomperometriska mätningarna av nanostrukturerade P-typ indiumfosfid-fotonelektroder av rodium i mark- och mikrogravitationsmiljöer uppvisar inte signifikanta skillnader.Viktigast, innan faktiskt stänga släppkapseln, ta bort lösa skruvar och kablar som inte är åtdragna. Kvarvarande skruvar kan förstöra experimentuppställningen och instrumenten under fritt fall. rodium, kan man Detta resulterar i olika elektrokatalytiska nanostrukturer som resulterar i olika effektivitetstillstånd.Detta är troligen samma fall i mikrogravitation miljöer. Demonstrationen av effektiv fotoelektrokemisk väteproduktion i mikrogravitationsmiljö öppnar nya vägar för produktion av syre och solbränslen i rymden och kan bidra till att långsiktiga rymdresor förverkligas.

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

Tunnskiktskromatografisk (TLC) Separationer och Bioanalyser av växtextrakt för att identifiera antimikrobiella föreningar

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

Metall-silikat Partitione vid högt tryck och temperatur: Experimentella metoder och ett protokoll till Utelämna Mycket Siderophile Element som ingår

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 Kväve Behandling för rening av reaktiva porösa material

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

Icke-jämvikt Mikrovågsplasma för effektiv högtemperaturkemi

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

Inverkan av Hybrid perovskit tillverkningsmetoder på filmbildning, elektronstruktur och solceller Prestanda

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 behändig metod för extraktion och analys med vätskekromatografi högtrycks av katekolamin signalsubstanser och deras metaboliter

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

Viktiga faktorer som påverkar prestanda för Sb2S3-sensibiliserade solceller under en Sb2S3 nedfall via SbCl3-tiourea komplex lösning-bearbetning

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

Lösning-bearbetade ”Silver-vismut-jod” ternära tunna filmer för blyfria solceller absorbenter

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-inspirerade Polydopamine yta ändring av Nanodiamonds och dess förminskning av Silvernanopartiklar

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 Tillredning via UO2 nedfall av likström sputtring och efterföljande Oxidation och reduktion med atom-syre och atom väte

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 ...