DE29500544U1 - Anordnung zur Verwendung einer Aluminiumfolie - Google Patents
Anordnung zur Verwendung einer AluminiumfolieInfo
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Description
- 1 - KEIL&SCHAAFHAUSEN
PATENTANWÄLTE
Anordnung zur Verwendung einer Aluminiumfolie
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verwendung einer Aluminiumfolie für die chemische Reduktion flüssiger und/oder
gasförmiger Komponenten wie CO2, und/oder als Detektor für
elektromagnetische Strahlung, z.B. im UV-Bereich, unter Ausnutzung des Fotoemissionsprozesses (Fotoeffekt).
Unter dem Fotoeffekt versteht man das Herauslösen von Elektronen aus dem Inneren eines Festkörpers durch seine
Oberfläche hindurch in das umgebende Medium, Luft oder Vakuum, durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung, wie Licht-,
Röntgen- oder y-Strahlen. Bei diesem, sogenannten äußeren
Fotoeffekt lädt sich eine mit elektromagnetischer Strahlung, bspw. im UV-Bereich bestrahlte, isoliert aufgehängte Metallplatte
auf ein elektrisches Potential auf, wenn dafür gesorgt wird, daß die herausgelösten Elektronen durch ein elektrisches
Feld abgesaugt werden. Die Anzahl der Fotoelektronen bzw. die Strömstärke des durch die Fotoelektronen gebildeten Fotostroms
ist bei Einwirkung monochromatischer elektromagnetischer Strahlung der Frequenz der absorbierten Lichtintensität
proportional. Die kinetische Energie der ausgelösten Fotoelek— tronen hängt von der Frequenz der einfallenden elektromagnetischen
Strahlung und von der sogenannten Austrittsarbeit des bestrahlten Metalls ab.
Die Erfindung schlägt eine Anordnung zur Verwendung einer
Aluminiumfolie für die chemische Reduktion flüssiger und/oder
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PATENTANWÄLTE
gasförmiger Komponenten wie CO2 und/oder als Detektor für
elekromagnetische Strahlungen, z.B. im UV-Bereich, unter Ausnutzung des Fotoeffektes vor. Dieses Ziel wird im wesentlichen
dadurch erreicht, daß die Aluminiumfolie einer Oberflächenbehandlung
zur Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit aussetzt wird, die aufgerauhte Aluminiumfolie als negative
Elektrode in einem ggf. die reduzierenden flüssigen und/oder gasförmigen Komponenten enthaltenen Elektrolytbad einer
Potentialspannung ausgesetzt ist, und die aufgerauhte mit einer Potentialspannung in dem Elektrolytbad beaufschlagte
Aluminiumfolie einem Fotoemissionsprozeß, z.B. unter Verwendung der nachzuweisenden elektromagnetischen Strahlung,
unterworfen ist. Die Anordnung einer solchermaßen präparierten Aluminiumfolie eignet sich in besonderer Weise für die
5 chemische Reduktion flüssiger und/oder gasförmiger Komponenten und/oder als Detektor für elektromagnetische Strahlung, da
sich überraschenderweise zeigt, daß bereits bei einer Einwirkung von relativ langwelliger elektromagnetischer
Strahlung auf die Aluminiumfolie eine überraschend hohe Quantenausbeute erzielbar ist. Die Quantenausbeute ist
definiert als das Verhältnis der Anzahl der emittierten Elektronen bezogen auf die Anzahl der einfallenden Fotonen.
Mittels der stark reduzierend wirkenden emittierten Fotoelektronen können flüssige Komponenten ohne weiteres reduziert
werden. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, mit einer derartigen Aluminiumfolie sehr stabile gasförmige Substanzen
wie CO2 oder N2 mittels der aus der Aluminiumfolie
austretenden Fotoelektronen zu reduzieren.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die
Aluminiumfolie mechanisch, z.B. durch Sandstrahlen, durch elektromechanisches Polieren und/oder durch elektromechanisches
Ätzen aufgerauht. Durch diese Maßnahmen wird die Quantenausbeute positiv beeinflußt.
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patentanwälte
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die
Oberfläche der Aluminiumfolie mit einer Rauhigkeit entspechend einem Rauhigkeitsfaktor zwischen 1,75 und 3 versehen.
Von Vorteil wird eine Aluminiumfolie mit einer Kapazität zwischen 0,5 und 2,0 pF cm"2 (bei + 8 V (MSE)) verwendet.
Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Oberfläche einer unbehandelten Aluminiumfolie durch
eine Oberflächenbehandlung, insbesondere durch elektromechanisches Ätzen oder dgl., um einen Faktor (Oberflächenvergrößerungsfaktor
(SEF) zwischen etwa 10 und etwa 40 vergrößert.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Oberfläche der Aluminiumfolie mit Perchlorsäure und/oder Ethanol zur
Vergrößerung der Oberfläche behandelt ist.
Alternativ oder in Kombination zu dieser Oberflächenbehandlung
der Aluminiumfolie mit Perchlorsäure und/oder Ethanol kann die Oberfläche, insbesondere zum Strahlen, mit Aluminiumpartikeln
einer Korngröße bzw. eines mittleren Durchmessers zwischen 1 &mgr;&pgr;&igr; und etwa 45 &mgr;&idiagr;&eegr; behandelt sein.
Von Vorteil dienen als Elektrolytbad Lösungen unter Ausschluß aggressiver Anionen, wie z.B. Halogene.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Elektrolytbad von Vorteil einen pH-Wert zwischen etwa 5 und etwa
10 auf.
Im Rahmen dieser Erfindung werden unter dem Begriff Elektrolytbad
auch gasförmige Komponenten, insbesondere CO2 und/oder N2 verstanden, die mittels der Aluminiumfolie unter
Ausnutzung des Fotoeffekts ebenfalls reduzierbar sind.
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PATENTANWÄLTE
Der Betrag der Potentialspannung, mit der die Aluminiumfolie beaufschlagbar ist, wird bevorzugt auf Werte unter etwa 2 Volt
eingestellt. Durch diese Maßnahme läßt sich in vorteilhafter Weise die von den Fotoelektronen beim Austreten aus der
Aluminiumfolie zu überwindende Austrittsarbeit senken. Infolge dessen besteht auch die Möglichkeit, langwellige elektromagnetische
Strahlung zum Auslösen der Fotoelektronen aus der Aluminiumfolie einzusetzen, wobei in diesem Fall auf eine
Vielzahl geeigneter elektromagnetischer Strahlungsquellen zurückgegriffen werden kann.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung elektromagnetischer
Strahlung im UV-Bereich erwiesen.
In einem speziellen Anwendungsfall wurde elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge &lgr; von etwa 300 nm mit Vorteil
verwendet.
Nach einer speziellen Ausgestaltung ist ein flüssiges Elektrolytbad, eine Potentialspannung von etwa 1,8 bis 1,9
Volt und eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge &lgr; von etwa 300 nm vorgesehen. Unter diesen Bedingungen
wurde überraschenderweise eine hohe Quantenausbeute von etwa 2% bis etwa 4% erreicht.
Aufgrund der hohen Quantenausbeute eignet sich die Anordnung zur Verwendung einer Aluminiumfolie mit Vorteil für die
Verwendung als Detektor für elektromagnetische Strahlung, wobei man die Aluminiumfolie mit elektromagnetischer Strahlung,
insbesondere UV-Strahlung, beaufschlagt und den Fotostrom meßtechnisch erfaßt. Aufgrund der recht hohen
Quantenausbeute wird daher ein besonders empfindliches Meßinstrument bzw. ein empfindlicher Detektor für elektro—
magnetiche Strahlung zur Verfügung gestellt.
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PATENTANWÄLTE
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei bilden alle Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand
der Erfindung, auch unabhängig in ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
In der Anordnung zur Verwendung einer Aluminiumfolie für bspw. die chemische Reduktion flüssiger oder gasförmiger Komponenten
oder als Detektor für elektromagnetische Strahlung wird die
Aluminiumfolie einer Oberflächenbehandlung zur Vergrößerung der wirksamen Oberfläche bzw. der Oberflächenrauhigkeit
ausgesetzt. Anchließend wird die Aluminiumfolie als negative Elektrode in ein Elektrolytbad eingebracht und mit einer
Potentialspannung beaufschlagt. Wird die Aluminiumfolie in dem Elektrolytbad einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt,
vorzugsweise mit Wellenlängen im UV-Bereich, aus, so ist eine Emission von Fotoelektronen aus der Aluminiumfolie direkt in
das Elektrolytbad zu beobachten, sofern die Aluminiumfolie einer geeigneten Oberflächenbehandlung ausgesetzt, auf eine
geeignete Potentialspannung gelegt und mit einer elektromagnetischen Strahlung geeigneter Wellenlänge beaufschlagt
worden ist. Dieses Phänomen der Emission von Fotoelektronen aus der Aluminiumfolie direkt in das Elekrolytbad weist einige
Gemeinsamkeiten mit dem Fotoeffekt auf, wie er an der Grenzschicht zwischen einem Metall und dem Vakuum beim
Auftreffen von elektromagnetischer Strahlung auf die Metallfläche nachweisbar ist. Allerdings weist die photoinduzierte
Emission von Elektronen aus einer Aluminiumfolie, die in ein Elektrolytbad eingetaucht ist, auch folgende unterschiedlichen
Aspekte auf:
An der Grenzschicht zwischen der Metalloberfläche und der Elekrolytlösung baut sich eine elektrische Doppelschicht auf,
an der die ganze Potentialspannung, mit der die Aluminiumfolie
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beaufschlagt wird, abfällt. Hieraus folgt, daß eine weitere Variable die Fotoemission der Elektronen aus der Aluminiumschicht
in das Elektrolytbad beeinflußt. Im Vergleich zum Fotoeffekt an einer Metall/Vakuum-Grenzschicht ändert sich der
Energieschwellwert für die Fotoemission der Elektronen gemäß der Gleichung
Eth (eV) = Eth (0) - eV,
wobei Eth (0) derjenige Energieschwellwert (entsprechend der
sogenannten Austrittsarbeit) bei einer Potentialspannung von 0 bzogen auf die elektrochemische Skala ist und der Term eV
die Potentialspannung der Aluminiumfolie in dem Elektrolytbad bezogen auf eine Referenzelektrode angibt. Ersichtlich
variiert der Energieschwellwert Eth (eV) in Abhängigkeit von
der angelegten Potentialspannung. Der wesentliche Unterschied zu dem Fotoeffekt an einer Metall/Vakuum-Grenzschicht ergibt
sich aus der Tatsache, daß die angelegte Potentialspannung zu einer Polarisation der Metall/Lösung-Grenzfläche führt und die
Funktion der Austrittsarbeit (W1^501) eines in eine Lösung
eingebrachten Metalls im wesentlichen linear beeinflußt.
Während die Emission eines Fotoelektrons aus einem Metall in das Vakuum als rein physikalisches Phänomen interpretiert
werden kann, ohne daß es im Anschluß an die Emission der Elektronen zu chemischen Reaktionen kommt, ist dies im Falle
einer Metall/Lösung-Grenzfläche anders. Dann gelangen nämlich die aufgrund des Fotoeffekts emittierten Elektronen in die
Lösung bzw. das Elektrolytbad und setzen eine Reihe chemischer Reaktionen in Gang. Als Endresultat findet eine chemische
Reduktion der flüssigen oder gasförmigen Komponenten, die in dem Elektrolytbad enthalten sind, statt.
Eine Abschätzung der Intensität des Fotostroms an einer Metall/Lösung-Grenzfläche ist relativ schwierig. Unter
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PATENTANWÄLTE
Außerachtlassung von Oberflächenvergrößerungseffekten, die gewöhnlich auf die Oberflächenrauhigkeit und/oder an der
Oberfläche erzeugte Elektronen auf Plasmaschwingungen des Metalls zurückzuführen sind, ergeben Modellberechnungen
Quantenausbeuten in der Größenordnung von 10"5 bis 10"4 für
unterschiedliche Metall/Elektrolyt-Oberflächen.
Im Spezialfall einer Aluminium/Vakuum-Grenzflache konnten
Quantenausbeuten von etwa 4% bei einer Energie der einge— strahlten elektromagnetischen Strahlung nahe der Plasmafrequenz
(hy = 10 eV) gemessen werden. Andererseits konnte für eine Aluminium/Elektrolyt—Grenzfläche ein Emissionsgrenzwert
nahe hy = 2 eV ermittelt werden, der auf einer Reduzierung der
metallischen Austrittsarbeit aufgrund der angelegten potentia— len Spannung zurückzuführen ist. Die Austrittsarbeit für die
Grenzschicht/Aluminium/Elektrolyt liegt bei etwa h &ggr; ¥ 4,15
eV. Eine weitere Reduzierung der Austrittsarbeit an der Grenzschicht Aluminium/Elektrolytbad konnte nicht gemessen
werden, da eine starke Wasserstoffentwicklung bei Potentialspannungen
negativer als -1,95 Volt (bezogen auf MSE) in dem Elektrolytbad einsetzt.
Wie aus der Tabelle am Ende der Beschreibung zu entnehmen ist, kann eine Verstärkung des Fotostroms aufgrund einer geeigneten
Oberflächenbehandlung des Metalls erreicht werden. So ist es angezeigt, die Aluminiumfolie mechanisch, z.B. durch Sandstrahlen,
durch elektromechanisches Polieren oder durch elektrochemisches Ätzen oder einer Kombination dieser
Verfahren aufzurauhen. Insbesondere hat sich ein Elektropolieren der Oberfläche der Aluminiumfolie mittels Perchlorsäure
und/oder Ethanol bewährt, wobei die Oberfläche der Aluminiumfolie in einem anschließenden Schritt mit Aluminiumpartikien
eines Durchmessers zwischen etwa 1 um und etwa 45 &mgr;&pgr;&igr;
mechanisch poliert wird. Die Oberfläche der Aluminiumfolie weist eine Rauhigkeit entsprechend einem Rauhigkeitsfaktor
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zwischen 1 ,75 und 3 auf. Diese Rauhigkeitsfaktoren werden über eine Messung der Kapazität der Aluminiumfolie bei 9 Volt (MSE)
ermittelt. Mit den dargestellten Oberflächenbehandlungs— methoden wurde die Oberfläche der Aluminiumfolie um einen
Faktor (Oberflächenvergrößerungsfaktor SEF) zwischen etwa 10
und etwa 40 erhöht.
Das Elektrolytbad besteht aus solchen Lösungen, die keine aggressiven Anionen, wie z.B. Halogene, aufweisen. Der pH-Wert
0 des Elektrolytbades liegt in einem Bereich zwischen etwa 5 und etwa 10. Aufgrund der oben erwähnten Wasserstoffentwicklung
in dem Elekrolytbad wird der Betrag der Potentialspannung auf Werte unter etwa 2 Volt eingestellt. Bei der eingestrahlten
elektromagnetischen Strahlung handelt es sich um Wellenlängen im UV-Bereich, insbesondere wurde Strahlung einer Wellenlänge
von &lgr; von etwa 300 nm eingesetzt. Dies entspricht einer
Fotonenergie von hy = 4 eV. Unter diesen Bedingungen konnte im Dauerzustand, also im eingeschwungenen Zustand des Systems,
eine Quantenausbeute von ewa 2% bis etwa 4% erzielt werden.
Berücksichtigt man die äußerst starke reduzierende Wirkung der emittierten Fotoelektronen, kann mit diesem System auch eine
Reduzierung sehr stabiler gasförmiger Substanzen, wie CO2 oder
N2 erreicht werden. Eine weitere Art der Verwendung des
beschriebenen Systems besteht in dem Einsatz der Aluminium/Lösung-Grenzfläche als Detektor für elektromagnetische
Strahlung insbesondere im UV-Bereich, in dem eine hohe Quantanausbeute erzielbar ist.
Claims (1)
- B 4 G 12- 10 - KEIL&SCHAAFHAUSENpatentanwälteSchutzansprüche1. Anordnung zur Verwendung einer Aluminiumfolie für die chemische Reduktion flüssiger und/oder gasförmiger Komponenten wie CO2, und/oder als Detektor für elektromagnetische Strahlung, &zgr;. B. im UV-Bereich, bei welcher- die Aluminiumfolie einer Oberflächenbehandlung zur Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit ausgesetzt ist,- die aufgerauhte Aluminiumfolie als negative Elektrode in einem ggf. die zu reduzierenden flüssigen und/oder gasförmigen Komponenten enthaltenen Elektrolytbad einer Potentialspannung ausgesetzt ist, und die aufgerauhte mit einer Potentialspannung in dem Elektrolytbad beaufschlagte Aluminiumfolie einem Foto— emissionsprozeß, z. B. unter Verwendung der nachzuweisenden elektromagnetischen Strahlung, unterworfen ist.2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aluminiumfolie mechanisch, z. B. durch Sandstrahlen, durch elektromechanisches Polieren und/oder durch elektrochemisches Ätzen aufgerauht wird.3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Aluminiumfolie mit einer Rauhigkeit entsprechend einem Rauhigkeitsfaktor zwischen 1,75 und 3 versehen wird.4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminiumfolie mit einer Kapazität zwischen 0,5 und 2,0 &mgr;&Egr; cm"2 (bei + 8 V (MSE)) verwendet wird.5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Aluminiumfolie13.01.95B 4 G 12- 11 -Keil&Schaafhausen PATENTANWÄLTEdurch eine Oberflächenbehandlung, insbesondere durch elektromechanisches Ätzen oder dgl., um einen Faktor (Oberflächenvergrößerungsfaktor SEF) zwischen etwa 10 und etwa 40 vergrößert wird.6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Aluminiumfolie mit Perchlorsäure und/oder Ethanol behandelt wird.7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Oberflächenbehandlung der Aluminiumfolie, insbesondere zum Polieren, Aluminiumpartikel einer Korngröße bzw. eines mittleren Durchmessers zwischen etwa 1 &mgr;&idiagr;&eegr; und etwa 45 &mgr;&pgr;&igr; dienen.8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolytbad Lösungen unter Ausschluß aggresiver Anionen, wie z.B. Halogene dienen.9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolytbad einen pH-Wert zwischen etwa 5 und etwa 10 aufweist.10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolytbad gasförmige Komponenten, insbesondere CO, und/oder N-, aufweist.11 . Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Potentialspannung auf Werte unter etwa 2 Volt eingestellt ist.12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung im UV-Bereich verwendet werden.13.01.95B 4 G 12- 12 -Keil&Schaafhausen PATENTANWÄLTE13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge &lgr; von etwa 300 nm verwendet werden.14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem flüssigen Elektrolytbad, einer Potentialspannung von etwa 1,8 bis etwa 1,9 V und eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge &lgr; von etwa 300 nm eine Quantenausbeute (Anzahl der emittierten Elektronen/Anzahl der auftreffenden Fotonen) von etwa 2% bis etwa 4% erzielt wird.15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Detektor für elektromagnetische Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumfolie mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere UV-Strahlung beaufschlagt und den Fotostrom meßtechnisch erfaßt wird.13.01.95
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