Aluminium-Elektrode

Abstract

 Es wird die Verwendung einer Aluminumfolie für die chemische Reduktion flüssiger und/oder gasförmiger Komponenten wie CO₂, und/oder als Detektor für elektromagnetsiche Strahlung, z.B. im UV-Bereich vorgeschlagen. Hierzu setzt man die Aluminiumfolie einer Oberflächenbehandlung zur Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit aus. Die aufgerauhte Aluminiumfolie bringt man als negative Elektrode in ein ggf. die zu reduzierenden flüssigen und/oder gasförmigen Komponenten enthaltenen Elektrolytbad ein und beaufschlagt die Aluminiumfolie mit einer Potentialspannung. Die aufgerauhte und mit einer Potentialspannung in dem Elektrolytbad beauschlagte Aluminiumfolie wird einem Fotoemissionsprozeß, z.B. unter Verwendung der nachzuweisenden elektromagnetichen Strahlung, unterworfen und ggf. der Fotostrom gemessen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die 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).

[0002] 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 γ-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 Fotoelektronen hängt von der Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Strahlung und von der sogenannten Austrittsarbeit des bestrahlten Metalls ab.

[0003] Die Erfindung schlägt die Verwendung einer Aluminiumfolie für die chemische Reduktion flüssiger und/oder 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 man die Aluminiumfolie einer Oberflächenbehandlung zur Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit aussetzt, die aufgerauhte Aluminiumfolie als negative Elektrode in einem ggf. die reduzierenden flüssigen und/oder gasförmigen Komponenten enthaltenen Elektrolytbad einer Potentialspannung aussetzt, und die aufgerauhte mit einer Potentialspannung in dem Elektrolytbad beaufschlagte Aluminiumfolie einem Fotoemissionsprozeß, z.B. unter Verwendung der nachzuweisenden elektromagnetischen Strahlung, unterwirft. Eine solchermaßen präparierte Aluminiumfolie eignet sich in besonderer Weise für die 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.

[0004] Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung rauht man die Aluminiumfolie mechanisch, z.B. durch Sandstrahlen, durch elektromechanisches Polieren und/oder durch elektromechanisches Ätzen auf. Durch diese Maßnahmen wird die Quantenausbeute positiv beeinflußt.

[0005] Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung versieht man die Oberfläche der Aluminiumfolie mit einer Rauhigkeit entspechend einem Rauhigkeitsfaktor zwischen 1,75 und 3.

[0006] Von Vorteil wird eine Aluminiumfolie mit einer Kapazität zwischen 0,5 und 2,0 µF cm⁻² (bei + 8 V (MSE) verwendet.

[0007] Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vergrößert man 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.

[0008] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Oberfläche der Aluminiumfolie mit Perchlorsäure und/oder Ethanol zur Vergrößerung der Oberfläche behandelt wird.

[0009] 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 µm und etwa 45 µm behandelt werden.

[0010] Von Vorteil werden als Elektrolytbad Lösungen unter Ausschluß aggressiver Anionen, wie z.B. Halogene, verwendet.

[0011] Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Elektrolytbad von Vorteil einen pH-Wert zwischen etwa 5 und etwa 10 auf.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich erwiesen.

[0015] In einem speziellen Anwendungsfall wurde elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge λ von etwa 300 nm mit Vorteil verwendet.

[0016] Nach einer speziellen Ausgestaltung verwendet man ein flüssiges Elektrolytbad, eine Potentialspannung von etwa 1,8 bis 1,9 Volt und eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge λ von etwa 300 nm. Unter diesen Bedingungen wurde überraschenderweise eine hohe Quantenausbeute von etwa 2% bis etwa 4% erreicht.

[0017] Aufgrund der hohen Quantenausbeute eignet sich die 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 elektromagnetiche Strahlung zur Verfügung gestellt.

[0018] 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.

[0019] 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. Setzt man die Aluminiumfolie in dem Elektrolytbad einer elektromagnetischen Strahlung, 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 photoninduzierte Emission von Elektronen aus einer Aluminiumfolie, die in ein Elektrolytbad eingetaucht ist, auch folgende unterschiedlichen Aspekte auf:

[0020] An der Grenzschicht zwischen der Metalloberfläche und der Elekrolytlösung baut sich eine elektrische Doppelschicht auf, an der die ganze Potentialspannung, mit der die Aluminiumfolie 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

wobei E_th (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 E_th (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 (W_Me/Sol) eines in eine Lösung eingebrachten Metalls im wesentlichen linear beeinflußt.

[0021] 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.

[0022] Eine Abschätzung der Intensität des Fotostroms an einer Metall/Lösung-Grenzfläche ist relativ schwierig. Unter 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.

[0023] Im Spezialfall einer Aluminium/Vakuum-Grenzfläche konnten Quantenausbeuten von etwa 4% bei einer Energie der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung nahe der Plasmafrequenz (hγ = 10 eV) gemessen werden. Andererseits konnte für eine Aluminium/Elektrolyt-Grenzfläche ein Emissionsgrenzwert nahe hγ = 2 eV ermittelt werden, der auf einer Reduzierung der metallischen Austrittsarbeit aufgrund der angelegten potentialen Spannung zurückzuführen ist. Die Austrittsarbeit für die Grenzschicht/Aluminium/Elektrolyt liegt bei etwa h γ = 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.

[0024] 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 Aluminiumpartiklen eines Durchmessers zwischen etwa 1 µm und etwa 45 µm mechanisch poliert wird. Die Oberfläche der Aluminiumfolie weist eine Rauhigkeit entsprechend einem Rauhigkeitsfaktor zwischen 1,75 und 3 auf. Diese Rauhigkeitsfaktoren werden über eine Messung der Kapazität der Aluminiumfolie bei 9 Volt (MSE) ermittelt. Mit den dargestellten Oberflächenbehandlungsmethoden wurde die Oberfläche der Aluminiumfolie um einen Faktor (Oberflächenvergrößerungsfaktor SEF) zwischen etwa 10 und etwa 40 erhöht.

[0025] Das Elektrolytbad besteht aus solchen Lösungen, die keine aggressiven Anionen, wie z.B. Halogene, aufweisen. Der pH-Wert 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 λ von etwa 300 nm eingesetzt. Dies entspricht einer Fotonenergie von hγ = 4 eV. Unter diesen Bedingungen konnte im Dauerzustand, also im eingeschwungenen Zustand des Systems, eine Quantenausbeute von ewa 2% bis etwa 4% erzielt werden.

[0026] 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.

Probe	Fläche [cm²]	Kapazität bei +8 V(MSE) [µF cm⁻²]	Iph(max) bei -1.8 V(MSE) und λ=300 nm [nA]	Rauhigkeitsfaktor	Oberflächenvergrößerungsfaktor SEF
Becromal 3D	0.660	1.80	1050 *	3	27
Electropolished rod	0.283	0.60	13	1	1
Mechanically polished rod	0.283	1.06	300	1.76	13

* Iph(max) = 1300 nA bei -1.9 V(MSE)

Ansprüche

1. 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, indem man

- die Aluminiumfolie einer Oberflächenbehandlung zur Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit aussetzt,

- die aufgerauhte Aluminiumfolie als negative Elektrode in einem ggf. die zu reduzierenden flüssigen und/oder gasförmigen Komponenten enthaltenen Elektrolytbad einer Potentialspannung aussetzt, und

- die aufgerauhte mit einer Potentialspannung in dem Elektrolytbad beaufschlagte Aluminiumfolie einem Fotoemissionsprozeß, z. B. unter Verwendung der nachzuweisenden elektromagnetischen Strahlung, unterwirft.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aluminiumfolie mechanisch, z. B. durch Sandstrahlen, durch elektromechanisches Polieren und/oder durch elektrochemisches Ätzen aufrauht.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche der Aluminiumfolie mit einer Rauhigkeit entsprechend einem Rauhigkeitsfaktor zwischen 1,75 und 3 versieht.

4. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Aluminiumfolie mit einer Kapazität zwischen 0,5 und 2,0 µF cm⁻² (bei + 8 V (MSE)) verwendet.

5. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche der Aluminiumfolie durch eine Oberflächenbehandlung, insbesondere durch elektromechanisches Ätzen oder dgl., um einen Faktor (Oberflächenvergrößerungsfaktor SEF) zwischen etwa 10 und etwa 40 vergrößert.

6. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche der Aluminiumfolie mit Perchlorsäure und/oder Ethanol behandelt.

7. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Oberflächenbehandlung der Aluminiumfolie, insbesondere zum Polieren, Aluminiumpartikel einer Korngröße bzw. eines mittleren Durchmessers zwischen etwa 1 µm und etwa 45 µm verwendet.

8. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Elektrolytbad Lösungen unter Ausschluß aggresiver Anionen, wie z.B. Halogene, verwendet.

9. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolytbad einen pH-Wert zwischen etwa 5 und etwa 10 aufweist.

10. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolytbad gasförmige Komponenten, insbesondere CO₂ und/oder N₂, aufweist.

11. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Betrag der Potentialspannung auf Werte unter etwa 2 Volt einstellt.

12. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man elektromagnetische Strahlung im UV-Bereich verwendet.

13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge λ von etwa 300 nm verwendet.

14. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man mit einem flüssigen Elektrolytbad, einer Potentialspannung von etwa 1,8 bis etwa 1,9 V und eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge λ von etwa 300 nm eine Quantenausbeute (Anzahl der emittierten Elektronen/Anzahl der auftreffenden Fotonen) von etwa 2% bis etwa 4% erzielt.

15. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Detektor für elektromagnetische Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aluminiumfolie mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere UV-Strahlung beaufschlagt und den Fotostrom meßtechnisch erfaßt.