Abstract: In iets meer dan 30 jaar moeten we tot 50% meer eiwit produceren, terwijl onze conventionele lineaire voedselproductieketen reeds de grenzen van duurzaamheid overschrijdt. Microbieel eiwit (MP), de eiwitrijke biomassa van micro-organismen, werd onderzocht als nieuw voeder en voedselingrediënt in een circulaire eiwitproductieketen. MP-productie kan gebaseerd zijn op primaire grondstoffen om zo de inefficiënte stappen in de huidige eiwitproductie over te slaan, of de productie kan gebaseerd zijn op secundaire grondstoffen afkomstig van de verliezen in de conventionele productieketen (bijvoorbeeld afvalwater). Zowel indirecte als directe strategiën voor nutriëntenherwinning kunnen geïdentificeerd worden. Indirecte nutriëntenherwinning werd onderzocht door struviet toe te passen als fosfor- en stikstofbron voor MP-productie. Struviet, een herwinningsproduct in de afvalwaterzuivering, bleek een hoge zuiverheidsgraad te hebben waardoor het een uitstekende selectieve barrière vormt tussen afvalstroom en MP productie. Oplossingssnelheden en MP groei-experimenten toonden aan dat struviet gemakkelijk gedoseerd kan worden in functie van de microbiële nutriëntenbehoeftes, waarnaast problemen vermeden worden gerelateerd aan de turbiditeit van nevenstromen, wat de productie van fototrofe MP mogelijk maakt. Daarnaast werd ook directe nutriëntenherwinning onderzocht. Hierbij werden de voedingswaarde en veiligheid geanalyseerd van biomassa bestaande uit aerobe heterotrofe bacteriën (AHB) afkomstig van effluentzuivering van 25 bedrijven in de voedings- en drankensector. Verder werd ook de temporele variabiliteit in kaart gebracht. Er werd een veelbelovend eiwitgehalte geobserveerd waarvan de variabiliteit aanzienlijke was. Verder werd aangetoond dat het eiwitgehalte positief gecorreleerd was met stikstofbelasting en negatief met slibverblijftijd, wat een indicatie is dat de implementatie van een geoptimaliseerd productieproces, de biomassakwaliteit gevoelig kan verhogen. Bovendien was de veiligheid als veevoeder gegarandeerd op vlak van de meeste contaminanten. In het daarop volgende hoofdstuk werd de variabiliteit in voedingswaarde en veiligheid bestudeerd van commerciële fototrofe MP (de microalgen Chlorella en Spirulina), gekweekt op primaire grondstoffen. De waargenomen variabiliteit in voedingswaarde vereist verdere optimalisatie van het productieproces. Er werd ook waargenomen dat een hoog eiwitgehalte geen hoge totale voedingswaarde impliceert, omdat de verteerbaarheid en de eiwitkwaliteit nog steeds ongunstig kunnen zijn. Op basis van gemeten contaminanten geeft een veilige consumptiedosis aan dat microalgen perfect kunnen worden geconsumeerd als volwaardige eiwitbron in plaats van als supplement, hun huidige hoofdtoepassing. In een laatste experimenteel hoofdstuk werd onderzocht hoe de variabiliteit in biomassakwaliteit van microalgen kan worden gereduceerd en hoe een stabiele, hoogwaardige biomassaproductie kan worden bekomen. De invloed van oogsttijd, operationele modus en fotoperiode werd bepaald op de productiviteit van biomassa, eiwit en essentiële aminozuren en er werden optimale productieparameters geïdentificeerd. Samengevat is MP-productie op basis van indirecte en directe nutriëntenherwinning veelbelovend. Verdere technologische ontwikkelingen en het verhogen van bewustwording en sociale acceptatie, moeten een verdere introductie van MP in de voeder- en voedingsmarkt faciliteren. Hier kan MP een belangrijke oplossing vertegenwoordigen om de exponentieel groeiende wereldbevolking op een duurzame manier te voeden.

Abstract: This dataset contains individual EEL and EDX events where for every event (electron or X-ray), their energy and time of arrival is stored. The experiment was performed in a transmission electron microscope (Tecnai Osiris) at 200 keV. The material investigated is an Al-Mg-Si-Cu alloy. The 'full_dataset.mat' contains the full dataset and the 'subset.mat' has the first five frames of the full dataset. The attached 'EELS-EDX.ipynb' is a jupyter notebook file. This file describes the data processing in order to observe the temporal correlation between the electrons and X-rays.

Abstract: Transition-metal dichalcogenides such as MoS2 or WS2 are semiconducting materials with a layered structure. One single layer consists of a plane of metal atoms terminated on the top and bottom by the chalcogen atoms sulfur, selenium, or tellurium. These layers show strong in-plane covalent bonding, whereas the Van-der-Waals bonds in between adjacent layers are weak. Those weak bonds allow the microcleavage and extraction of a monolayer. Transistors built on such monolayer nanosheets are promising due to high electrostatic controllability in comparison to a bulk semiconductor. This is important for fast switching speed and low-power consumption in the OFF-state. Nonetheless, prototypes of such nanosheet transistors show non-idealities due to the fabrication process. Closed films on a large area cannot be obtained by mechanical exfoliation from mm-sized crystals. For wafer-level processing, synthetic growth methods are needed. It is a challenge to obtain a few layer thick crystals with large lateral grains or even without grain boundaries with synthetic growth techniques. This requires pre-conditioned monocrystalline substrates, high-temperature deposition, and polymer-assisted transfer to other target substrates after the growth. Such transfer is a source of cracks in the film and degrades the layers' promising properties by residual polymer from the bond material. Apart from transfer, patterning of the stacked 2D layers is necessary to build devices. The patterning of a 2D material itself or another material on top of it is challenging. The integration of the nanosheets into miniaturized devices cannot be done by conventional continuous-wave dry etching techniques due to the absence of etch stop layers and the vulnerability of these thin layers. To eliminate these issues in growth and integration, we explored the deposition methods on wafer-level and low-damage integration schemes. To this end, we studied the growth of MoS2 by a hybrid physical-chemical vapor deposition for which metal layers were deposited and subsequently sulfurized in H2S to obtain large area 2D layers. The impact of sulfurization temperature, time, partial H2S pressure, and H2 addition on the stoichiometry, crystallinity, and roughness were explored. Furthermore, a selective low-temperature deposition and conversion process at 450 °C for WS2 by the precursors WF6, H2S, and Si was considered. Si was used as a reducing agent for WF6 to deposit thin W films and H2S sulfurized this film in situ. The impact of the reducing agent amount, its surface condition, the temperature window, and the necessary time for the conversion of Si into W and W into WS2 were studied. Further quality improvement strategies on the WS2 were implemented by using extra capping layers in combination with annealing. Capping layers such as Ni and Co for metal-induced crystallization were compared to dielectric capping layers. The impact of the metal capping layer and its thickness on the recrystallization was evaluated. The dielectric capping layer's property to suppress sulfur loss under high temperature was explored. The annealings, which were done by rapid thermal annealing and nanosecond laser annealing, were discussed. Eventually, the fabrication of a heterostack with a MoS2 base layer and selectively grown WS2 was studied. Atomic layer etching was identified as attractive technique to remove the solid precursor Si from MoS2 in a layer-by-layer fashion. The in-situ removal of native SiO2 and the impact towards MoS2 was determined. The created patterned Si on MoS2 was then converted into patterned WS2 on MoS2 by the selective WF6/H2S process developed earlier. This procedure offers an attractive, scalable way to enable the fabrication of 2D devices with CMOS-compatible processes and contributes essential progress in the field 2D materials technology.

Abstract: Het gebruik van plasmon-actieve nanodeeltjes heeft de laatste 10 jaar zeer veel interesse gewekt bij onderzoekers in verschillende toepassingsdomeinen zoals fotokatalyse of oppervlakte versterkte Raman spectroscopie. Er is echter een grote limiterende factor bij het gebruik van edelmetaal nanodeeltjes zoals goud en zilver en dat is de stabiliteit. Deze oxideren en aggregeren snel, zeker in oxidatieve omgeving zoals in lucht. Een interessante aanpak om plasmon-actieve nanodeeltjes te stabiliseren, is om ze te omgeven in een schil, met andere woorden om een kern-schil nanodeeltje te vormen. Er zijn een heel aantal verschillende manieren waarop kern-schil nanodeeltjes gesynthetiseerd kunnen worden. In eerste instantie werden metaal nanodeeltjes omgeven door een (dunne) TiO2 laag. Afhankelijk van de hoeveelheid TiO2 precursor kon de dikte van de laag gecontroleerd worden tot enkele nanometers dik. De stalen werden getest voor de fotokatalytische afbraak van een vaste laag stearinezuur waarbij toevoeging van 2 wt% metaal@TiO2 op P25 leidde tot een significante verbetering in afbraakefficiëntie in vergelijking met zuiver P25. Een andere manier voor het stabiliseren van metaal nanodeeltjes is door ze te omgeven met een polymeerschil. Op deze manier kon de laagdikte gecontroleerd worden met sub-nanometer controle wat een zeer belangrijke factor is voor de hoeveelheid near-field versterking dat buiten de polymeer schil kan gaan. Een XTT test werd uitgevoerd om te bepalen wat de zuurstofactivatie snelheid was van goud en zilver (en goud-zilver bimetallische) nanodeeltjes, al dan niet omgeven door een (niet-)geleidende polymeer laag. Wanneer de stalen gecoat werden met vier niet-geleidende polymeerlagen zakte de zuurstofactivatie nagenoeg tot nul. Aan de andere kant, als goud nanodeeltjes werden omgeven door een geleidende schil was er nog steeds zuurstofactivatie, hoewel lager dan in het geval van goud zonder laag. Het laatste deel van deze thesis focuste meer op mogelijke toepassingen in luchtzuivering. In dit werk werd een glazen buis, gecoat aan de binnenkant met (Ag@polymer gemodificeerd) TiO2, als een spiraal rond een UVA lamp gewikkeld. De geoptimaliseerde spiraalreactor werd dan vergeleken met een conventionele cilindervormige fotoreactor, met dezelfde dimensies en totale katalysatorbelading, over een grote range aan experimentele condities. Uit de resultaten bleek dat de spiraalreactor significant betere afbraakefficiënties vertoonde in vergelijking met de conventionele cilindervormige reactor over een grote range aan debieten. Een adsorptiestap in combinatie met de geoptimaliseerde spiraalreactor zou kunnen leiden tot een zeer krachtige luchtzuiveringstechnologie.

Abstract: ​Food production is a cornerstone in contemporary industrial societies. Its production requires land, water and enormous amounts of fertilizers. These precious fertilizers enter the linear food chain and suffer from a cascade of inefficiencies, resulting in detrimental effects to the environment. A radical transforming of the current food production chain is, therefore, essential to guarantee a sustainable future for humanity. ​This thesis has studied the production of microbial protein (i.e. single-cell protein), which is the use of microorganisms such as yeast, fungi, algae and bacteria as protein ingredient for animal feed. The type of microorganisms targeted in this thesis were purple non-sulfur bacteria (PNSB). These bacteria are an extremely heterogenic group that contain photosynthetic pigments and are able to perform anoxygenic photosynthesis. The core focus of the thesis was technology development for the production of PNSB as a source of microbial protein on wastewater and fresh fertilizers. In the final stage of this research, it was the objective to explore the potential of PNSB as a nutritious feed ingredient for shrimp. ​Overall, this work has provided the building blocks to transform the conventional food production chain. The findings show that PNSB production and biomass valorization is within reach. Further pilot implementation and cost reduction will facilitate the introduction of PNSB production in future’s wastewater treatment plants and the valorization of the biomass as nutritious animal feed ingredient.​

Abstract: In this work we study energy transport in a gliding arc discharge with two diverging flat
electrodes in argon gas at atmospheric pressure. The discharge is ignited at the shortest electrode
gap and it is pushed downstream by a forced gas flow. The current values considered are
relatively low and therefore a non-equilibrium plasma is produced. We consider two cases, i.e.
with high and low discharge current (28 mA and 2.8mA), and a constant gas flow of 10 lmin −1 ,
with a significant turbulent component to the velocity. The study presents an analysis of the
various energy transport mechanisms responsible for the redistribution of Joule heating to the
plasma species and the moving background gas. The objective of this work is to provide a
general understanding of the role of the different energy transport mechanisms in arc formation
and sustainment, which can be used to improve existing or new discharge designs. The work is
based on a three-dimensional numerical model, combining a fluid plasma model, the shear stress
transport Reynolds averaged Navier–Stokes turbulent gas flow model, and a model for gas
thermal balance. The obtained results show that at higher current the discharge is constricted
within a thin plasma column several hundred kelvin above room temperature, while in the low-
current discharge the combination of intense convective cooling and low Joule heating prevents
discharge contraction and the plasma column evolves to a static non-moving diffusive plasma,
continuously cooled by the flowing gas. As a result, the energy transport in the two cases is
determined by different mechanisms. At higher current and a constricted plasma column, the
plasma column is cooled mainly by turbulent transport, while at low current and an unconstricted
plasma, the major cooling mechanism is energy transport due to non-turbulent gas convection. In
general, the study also demonstrates the importance of turbulent energy transport in
redistributing the Joule heating in the arc and its significant role in arc cooling and the formation
of the gas temperature profile. In general, the turbulent energy transport lowers the average gas
temperature in the arc, thus allowing additional control of thermal non-equilibrium in the
discharge.

Abstract: This chapter discusses modeling efforts for plasma-based CO2 conversion, which are needed to obtain better insight in the underlying mechanisms, in order to improve this application. We will discuss two types of (complementary) modeling efforts that are most relevant, that is, (i) modeling of the detailed plasma chemistry by zero-dimensional (0D) chemical kinetic models and (ii) modeling of reactor design, by 2D or 3D fluid dynamics models. By showing some characteristic calculation results of both models, for CO2 splitting and in combination with a H-source, and for packed bed DBD and gliding arc plasma, we can illustrate the type of information they can provide.

Abstract: The possibility of an inhomogeneous charge density wave phase is investigated in a system of two coupled electron and hole monolayers separated by a hexagonal boron nitride insulating layer. The charge-density-wave state is induced through the assumption of negative compressibility of electron/hole gases in a Coulomb drag configuration between the electron and hole sheets. Under equilibrium conditions, we derive analytical expressions for the density oscillation along the zigzag and armchair directions. We find that the density modulation not only depends on the sign of the compressibility but also on the anisotropy of the low-energy bands. Our results are applicable to any two-dimensional system with anisotropic parabolic bands, characterized by different effective masses. For equal effective masses, i.e., isotropic energy bands, our results agree with Hroblak et al. [Phys. Rev. B 96, 075422 (2017)]. Our numerical results are applied to phosphorene.