光谱化学制造技术

本发明专利技术涉及催化剂领域，具体涉及通过在反应体系中使至少一种光谱能量谱型用作光谱催化剂或光谱能量催化剂的方法。本发明专利技术公开了模拟各种环境的反应条件下反应体系中多种催化剂的多种作用原理，以及通过采用一个或多个环境的反应条件模拟、至少部分模拟一个或多个环境的反应条件的方法。本发明专利技术还公开了用于涉及设计或确定反应体系中所用的合适物理催化剂的方法。采用本发明专利技术的方法，可更精确地控制反应过程，提高反应的效率和选择性。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新方法，该方法通过例如在反应体系中使至少一种光谱能量谱型(例如至少一个包含至少一种电磁辐射频率的光谱谱型)暴露一个或多个参与者来影响、控制和/或定向反应途径(例如有机、无机、生物或其它反应)，该谱型能用来对应至少一部分的光谱催化剂或光谱能量催化剂。本专利技术还涉及模拟各种环境的反应条件下反应体系中多种催化剂的多种作用机理。本专利技术通过采用一个或多个光谱环境反应条件进一步公开了模拟、至少部分模拟一个或多个环境的反应条件的方法。具体而言，本专利技术公开了获取例如施加的能量和物质(如固体、液体、气体、等离子体和/或其组合或其部分)间能量频率匹配的不同方法，通过考虑反应体系中的多种能量因素，使能量转移至例如反应体系中的至少一个参与者。本专利技术还公开了用于设计或确定反应体系中所用的合适物理催化剂的方法。
技术介绍
化学反应由能量驱动。能量以众多不同形式出现，包括化学、热、机械、声学和电磁。各类能量的多种特征被认为是以不同方式为驱动化学反应作贡献。不管涉及的能量类型，化学反应不可否认和逃脱不掉地与能量转移和组合缠绕在一起。因此了解能量对了解化学反应是至关重要的。通过将能量以热、机械、声学和/或电磁形式加入到反应介质中，或通过物理催化剂转化能量的方法能控制和/或定向化学反应。这些方法通常能量不是那么有效并能产生例如不需要的副产物、分解所要求的瞬变体和/或中间体和/或活化的络合体和/或不足量的优选反应产物。一般认为化学反应是由反应分子间的碰撞产生的。根据化学动力学的碰撞理论，已预期反应速率与每秒分子碰撞数成正比。速率α碰撞数/秒此种简单的关系解释了反应速率依赖于浓度。此外，很少有例外，人们认为由于碰撞增加，反应速率随着温度提高而增加。反应速率常数k的关系式能用下列等式表示，即公知的Arrhenius公式k＝Ae-Ea/RT其中Ea是反应的活化能，是启动化学反应所需的最低能量，R是气体常数，T是绝对温度，e表示以自然对数为底。A代表碰撞速率并表示速率常数与A成正比，并因此与碰撞速率成正比。进一步，由于指数Ea/RT前是负号，因此，速率常数随着活化能提高而降低，并随着温度提高而提高。一般情况下，只有一小部分碰撞分子，通常是运动最快的分子具有足够的动能超过活化能，因此现能解释随着温度升高速率常数k增加。由于在较高温度下存在更多的高能分子，因此在较高温度下产物形成的速率也较高。但是随着温度升高，反应体系将引入许多问题。随着热激发，其它竞争过程如键裂可能在达到所需能量态之前发生。同样，有许多分解产物经常生成极具反应性的片段，但由于热力学的不稳定性它们的寿命如此之短，以至于优选反应可被抑制。辐射能或光能是可加入反应介质中的另一种形式能，也有一些负作用，但与热能所产生的负作用是不同(或相同)的。体系中加入辐射能产生电子激发分子，其能够进行化学反应。所有电子都在稳定轨道中的分子被认为是在电子基态。这些轨道可以是成键轨道或是非成键轨道。如果一个合适能量的光子与分子碰撞，光子可被吸收，其中一个电子可激发到具有更高能量的空轨道上。电子激发导致价电子在空间重新分布，同时核内构型发生变化。由于化学反应在很大程度上受控于这些因素，所以电子激发分子进行的化学反应与电子处于基态的分子所进行的反应截然不同。光子能量依据其频率或波长定义，E＝hγ＝hc/λ其中E代表能量；h代表Plank常数，6.6×10-34J秒；γ是辐射频率，秒-1；c是光速；以及λ是辐射波长。当光子被吸收时，其所有能量赋予吸收的物种。吸收后的初期行为依赖于入射光的波长。光化学研究光子，其能量位于电磁光谱的紫外区域(100-4000)和可见区域(4000-7000)。这些光子基本上是电子激发分子的起因。由于分子在吸收光后获取了电子能量，在热激发体系中相遇的不同的势能表面发生反应。然而，采用已知光化学技术存在一些缺点，即因为采用宽带频率由此导致不需要的副反应、不适当的试验和低的量子产率。下列专利显示了一些良好的光化学实例。特别是颁布给Cooper等的美国专利5174877(1992)公开了用于光催化处理液体的装置。尤其公布了紫外光辐射所制得的淤浆表面以活化淤浆中所含颗粒的光催化特性，淤浆的透明度影响了例如辐射吸收。此外，文中讨论了适合取得所需光催化活性的不同频率。另外，颁布给Brumer等的美国专利4755269(1998)公开了用于在已知能量水平离解各种分子的光离解方法。尤其是公开了可能的不同离解途径以及由于选择某种电磁辐射的不同频率能跟随出现不同的途径。进一步公开了所用电磁辐射的振幅对应着制得产物的量。不同物种的选择性激发显示在下列三个专利中。具体而言，Rich等美国专利4012301(1977)公开了汽相化学反应，这些反应采用对应于连续流动反应物物种的振动方式被选择性地激发。尤其是连续波激光发射出被反应物物种振动方式吸收的辐射。颁布给Wan等的美国专利5215634(1993)公开了将甲烷选择性地转化成所需的氧化态。尤其是甲烷在催化剂存在下被脉冲微波辐射将反应物转化成所需的产物。公开的物理催化剂包括镍，微波辐射采用约1.5-3.0GHz的范围。颁布给Suib等的美国专利5015349(1991)公开了用于裂化烃生成裂化反应产物的方法。公开了烃流暴露于微波能量下产生低功率密度微波放电等离子体，其中将微波能量调整以获得所需的结果。微波能量所需的特定频率公开为2.45GHz。物理催化剂在本领域中是熟知的。具体而言，物理催化剂是一种改变化学反应速率而在最终产物中又不出现的物质。已知一些反应能因一些反应结束后本身保持不变的物质的存在而加速或受控。通过相对于不需要的反应增加所需反应的速度，使得与不需要的副产物比较，所需产物的形成能达到最大。通常只需要痕量的物理催化剂来加速反应。也已观察到某些物质，假如加入痕量，能降低反应速率。这看起来是反催化，可实际上减慢反应速率的物质被称为负催化剂或毒物。已知的物理催化剂经历一个循环，其中它们使用和再生以便能够一次又一次地使用。物理催化剂通过为反应提供另一条途径而发挥作用，其能比没有物理催化剂时具有较快或较慢的反应速率。在反应结束时，由于物理催化剂能复原，所以看起来物理催化剂不参与反应。但物理催化剂必定在某种程度上参与了反应，否则反应速率不会改变。催化作用历史上已最早由Ostwald于约18世纪后期提出的五个基本步骤代表；1.扩散到催化部位(反应物)；2.在催化部位(反应物)形成键；3.催化剂一反应物络合体的反应；4.在催化部位键裂化(产物)和5.从催化部位扩散(产物)。催化作用的精确机理在本领域中是未知的，但已知物理催化剂能加速反应，否则反应发生将太慢而无实际意义。已知的工业催化剂涉及许多问题首先，物理催化剂不仅能丧失效率而且丧失选择性，之所以如此是由于例如过热或催化剂的污染；其二，许多物理催化剂包括昂贵的金属如铂或银并且只有有限的寿命周期，一些催化剂难以再生，贵重金属不容易回收。还有许多与物理催化剂相关的物理限制，使得它们在许多反应中不是理想的参与者。因此，需要的是了解催化过程，以便通过更精确地控制众多现已存在的反应过程以及开发完全新型的反应途径和/或反应产物巧妙地完成生物处理、化学处理和工业加工等。这些了解的例子包括没有下列缺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制反应系统的方法，包括： 形成反应系统；和 用至少一种选自直接共振靶向、谐波靶向和非谐波外差式靶向的方法，靶向所述的反应系统。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱莉安娜HJ布鲁克斯，本特利J布卢姆，
申请(专利权)人：伯克希尔实验室公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]