固态表面催化反应器制造技术

一种采用电流刺激催化剂表面（１１６）上化学反应的方法和设备，和用来转化从化学反应释放出来的能量为电流的可逆过程。一种可逆发射极（１０２）产生电子，它们被注射到所述催化剂表面（１１６）上的反应物中，激发化学活性的振动共振。在一个半导体结（１１０）的发射极区产生的热电子，扩散到并列放置的集电极区和催化剂表面（１１６）。结合到所述集电极上的催化剂簇或膜转移所述热电子到所述具有吸附反应物的催化剂表面（１１６）上，或从所述催化剂表面上转移出所述热电子。所述催化剂－集电极（１０４）的尺寸小于热电子的能量平均自由程。所述热电子在基质晶格的热化之前激发反应物振动，从而加速反应。所述热电子也可由催化剂表面上相同反应产生。所述方法和设备是可逆的，它可作为一个发电机使用化学反应进行操作。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及一种能量发生器，更具体地说是涉及一种结合一种半导体基质的激发结构到一种催化剂表面上的活性吸附质的激发结构之上的方法和设备。
技术介绍
近来在表面科学领域中实验和理论的发展，已经显示了热电子如何引发吸附在催化剂表面上的分子或者原子的热振动。热电子的能量定义为有效温度在600K和60,000K之间的电子，它表示在0.05至约5eV之间的等效能量，或室温时热能的许多倍。300K时为0.026eV。已经发现，扩散到催化剂金属表面处的热电子与吸附表面上的化学物质(也被称为吸附质)，能够强烈地发生相互作用，并且，它可以比催化剂金属原子的晶格热化电子方法更快的速率进行。最近还发现，当与热电子相互作用时，吸附质会从催化剂表面获得振动能量。还发现，吸附质的振动能量大大地提高了化学反应的速度，有时由于活化能或者有关的化学热力学原因，还能够进行一些通过热方法不能进行的反应。热电子刺激催化剂表面上吸附质的化学反应。该反应的逆反应也已经被观察到，其中，表面化学反应将导致热电子的产生。催化剂表面上热电子的存在可以导致一种假热状态(pseudo-thermal regime)的发生，其中，吸附质分子的表面振动，不论是克服本身还是克服催化剂的表面振动，都与基质热电子的温度而不是基质本身的物理温度处于平衡状态。这意味着所述振动可以处于几千度，而所述催化剂则处于环境温度。热电子从其吸附阱(adsorption well)底部以一种逐级方式激发所述吸附质，甚至可以一直进行到它克服吸附势垒而跳跃到邻近的势阱，进行反应或者脱附。热电子的能量或者频率不需要正好与所述吸附质的能量或者频率相匹配。所述吸附质的激发结构通常很宽，包括许多频率，作用机理通常经由一个电子激发状态。也就是，当吸附质获得一个电子，它就跃迁到一个激发的电子状态。在数十毫微微秒之内，它开始向外作远离所述表面的移动，然后释放出所述电子。此刻，所述被吸附物跃迁回到一个非电子激发状态。这时，吸附质转变回到非电子激发状态。不过，它仍保存着由热电子给予它的额外能量。其结果是，所述吸附质处于较高的振动状态。对于这种过程的数十毫微微秒有效期间可引起一个宽带响应特征，从而可允许在热电子与接受的吸附质能级之间不匹配。所述基质电子实质上将能量贮存到吸附质反应物的振动方式中，如吸附质反应物分子的原子振动，或吸附质克服催化剂表面的振动。对于该吸附质脱附的地点，这种过程可自身重复许多次。在文献中，这称作“(多级)电子迁移引发的脱附”，简称为DIMET或DIET。这就是激发器方法。发生器方法以相反的方式工作。一个具有能量存在于其中一种振动方式的吸附质，可从催化剂吸引和捕获一个冷电子。这将引起一次跃迁，在此带有附着电子的吸附质接着变成一个处于被激发电子状态的带电吸附质。在几毫微微秒之内，这种处于激发电子状态的物种将发生衰变并放出一个电子。这将会给予吸附质反应物留下较少的处于振动方式的能量，而为电子留下过量的动能。结果是处于催化剂表面上被能量激发的反应物将其能量的一部分给予催化剂中的一个电子。这就是所述发生器方法。这种发生器或逆相过程已经在实验室中进行了观察。在这个观察中的探测器利用一种短路肖特基(Schottky)二极管来测量直接由所述表面反应产生的电子流量。所述实验室探测器在短路二极管中测量到一个电流，这意味着所述检测器几乎正好产生零功率。然而，所述探测器证实了所述发生器方法的存在。对热电子和热空穴进行观察，具有的能量超过位于硅中的所述肖特基势垒，其能量级为0.5eV。催化剂表面上的热电子已经被观察到是加速反应。用振动激发的NO(氧化氮)分子与一个Cu(铜)表面的相互作用，表明表面反应性成千倍地增强。观察到接近单元反应的概率。在这项研究中，反应物的跃迁能量和表面温度都没有对所述反应概率上产生强烈的影响，它证实了使用热电子的效率。在另一实例中，CO(一氧化碳)在钌表面被氧化。1.5eV，110毫微微秒激光脉冲期间会形成热电子。在一个没有热电子根本不可能的反应中，观察到吸附的O与CO的亚微微秒反应生成CO2。这意味着如果仅采用热能，CO将会脱附而不会发生反应。这类热电子施加振动能量给吸附质的效率，可达到100％。观察到接近100％的CO从铜表面脱附。还观察到NO与Cu的反应速率提高了三个数量级。这将在热电子和金属催化剂表面的激发吸附质物种之间建立起强大的双向能量迁移。这些观察的综合指引得出一种装置和方法，以结合在催化剂表面的吸附的(化学吸附或物理吸附)的基质反应物的激发结构到邻近于所述基质的半导体二极管的激发结构之上。半导体二极管激发结构是很简单的，它由存在于价带中的空穴和存在于导带中的电子所组成。所述化学活性吸附质-催化剂体系的激发结构，主要为原子和分子与它们自身及克服基质的振动，形成能级带，所述能级带属于这些物种的电子激发状态，所述吸附质此时可获得一个瞬间或永久性的电荷。这些结构的结合主要是通过两种方式进行的，一种是直接通过典型的吸附质和半导体之间的热载流子如热电子或热空穴的直接发射跃迁，一种是能量共振隧道。共振隧道通过由半导体和吸附质-催化剂体系中的激发结构所形成的振荡电场，将两种结构结合在一起。这种结合在当每侧的激发效率彼此相近时，得到极大的增强。热电子是最容易进行的激发。目前选用来形成和注射所述热电子到一种金属催化剂表面中的方法，其依赖于一种脉冲激光。常用的形成这些热电子的方法，是采用一种短的激光脉冲，典型地脉冲期间范围为50～1000毫微微秒，具有的光子能量为1eV或更大(波长为0.2～1.5微米)。所述光子被吸附并形成具有能量为0eV至高达所述光子能量，分裂所述能量为一个热空穴，和平均约入射光子能量一半的热电子能量。不过，激光是可以获得的最为昂贵能源中的一种。一种采用一种固态金属-绝缘体-金属结以形成共振耦合的热电子的理论，业已经提出。这种理论暗示将会在表面形成共振辅助的热电子引发的毫微微秒过程。与催化剂费米能级相关的能量和与所述金属-绝缘体结相关的能量，是大于现在认为是适合于表面共振的能量。直到现在，还没有采用这种理论的实例。也没有要求保护过程可逆性的声明。使用一种中性半导体基质按注射方法注入到薄的金属外涂层，采用由脉冲激光作为半导体中热载流子的发生器，也已经在文献中公开。它暗示这种方法对于刺激气体表面催化反应较采用金属作为光子接受体更为有效，可增大一个数量级。它暗示采用一种半导体基质、金属外涂层和催化剂组件以形成热电子，较采用光子并注射它们到一种催化剂表面中，更为有效。需要表明所述有用的处理效率的具体细节，在一个需要证实处理效率的方法中没有说明。人们必须缝合肖特基结、欧姆结或所述半导体和所述金属间几乎全部的结，这样，热载流子如热电子或空穴的结合才是电子有效的，或这样，共振隧道才是有效的。共振隧道和共振辅助方法的合适采用，在一种有用的装置和方法中是有价值的组成。一种肖特基结式二极管已经用于热电子注射到溶液的实验中。该项研究合作者之一指出，它们没有获得他们想要的成功，因为与电解质相连的表面状态冷却了电子。一种由n-硅和铂金属制成的催化剂电极肖特基结，可用来注射电子到一种活性电解质溶液中。所述铂厚度在低于平均自由程至数倍厚于铂中热电子的平均自由程之间进行变化。他本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态表面催化激发跃迁反应设备，包括：一个催化集电极；和一个激发发射极，它包括一个ｐ－ｎ结式二极管，所述激发发射极的激发带结构是耦合到与所述催化集电极相关联的激发带结构之上，其中，在所述催化集电极中进行的与吸附质的反应相关联的 一种或多种能量，转化为激发并输送到所述激发发射极中，在该处产生发射极激发并将所述发射极激发转化为一种或多种形式的能量。

【技术特征摘要】
US 2000-8-3 09/631,463;US 1999-10-20 60/160,531;US1.一种固态表面催化激发跃迁反应设备，包括一个催化集电极；和一个激发发射极，它包括一个p-n结式二极管，所述激发发射极的激发带结构是耦合到与所述催化集电极相关联的激发带结构之上，其中，在所述催化集电极中进行的与吸附质的反应相关联的一种或多种能量，转化为激发并输送到所述激发发射极中，在该处产生发射极激发并将所述发射极激发转化为一种或多种形式的能量。2.如权利要求1所述的设备，其中所述吸附质反应是在所述催化集电极表面上进行的。3.如权利要求1所述的设备，其中所述吸附质反应是与所述催化集电极表面进行的。4.如权利要求1所述的设备，其中所述一种或多种能量包括一种或多种激发的反应物分子振动。5.如权利要求1所述的设备，其中所述一种或多种能量包括一种或多种分子-表面振动。6.如权利要求1所述的设备，其中所述一种或多种能量包括一种或多种原子-表面振动。7.如权利要求1所述的设备，其中所述一种或多种能量包括一种或多种吸附反应。8.如权利要求1所述的设备，其中所述一种或多种能量包括一种或多种化学反应。9.如权利要求1所述的设备，其中所述一种或多种能量包括一种或多种激发的电子状态。10.如权利要求1所述的设备，其中所述激发包括一种或多种热载流子。11.如权利要求1所述的设备，其中所述激发包括一种或多种电磁场。12.如权利要求1所述的设备，其中所述发射极激发包括一种或多种少数载流子。13.如权利要求1所述的设备，其中所述发射极激发包括一种或多种热载流子。14.如权利要求1所述的设备，其中所述发射极激发包括被载流子扩散所输送的能量。15.如权利要求1所述的设备，其中所述发射极激发包括耦合电场。16.如权利要求1所述的设备，其中所述发射激发包括一种或多种激发子。17.如权利要求1所述的设备，其中所述发射极激发包括一种或多种等离子体振子。18.如权利要求1所述的固态表面催化激发跃迁反应设备，其中所述催化集电极与所述发射极相接触。19.如权利要求1所述的设备，其中所述p-n结式二极管是正向偏压的。20.如权利要求1所述的设备，其中所述发射极激发是在所述p-n结变为正向偏压时产生的。21.如权利要求20所述的设备，其中，施加在所述p-n结式二极管的电压可在所述p-n结式二极管中形成一个正向偏压。22.如权利要求20所述的设备，其中，在所述p-n结式二极管中的光子的光吸附可在所述p-n结式二极管中形成所述正向偏压。23.如权利要求10所述的设备，其中所述一种或多种热载流子包括一种或多种热电子。24.如权利要求1所述的设备，其中所述p-n结式二极管包括一个p型发射极区和一个n型基极。25.如权利要求1所述的设备，其中所述p-n结式二极管包括一个高度掺杂的p+区。26.如权利要求24所述的设备，其中所述p型发射极区是高度掺杂的。27.如权利要求1所述的设备，其中所述p-n结式二极管包括一个高度掺杂n+区。28.如权利要求24所述的设备，其中所述n型发射极区是高度掺杂的。29.如权利要求1所述的设备，其中所述激发发射极由包括选自In、Ga、As和Sb中任意一种或其结合的半导体材料制造而成。30.如权利要求1所述的设备，其中所述激发发射极由包括选自In、Sb、Bi和T1中任意一种或多种结合的半导体材料制造而成。31.如权利要求1所述的设备，其中所述激发发射极由包括选自Hg、Cd和Te中任意一种或多种结合的半导体材料制造而成。32.如权利要求31所述的设备，其中，镉(Cd)的浓度在20％～30％之间。33.如权利要求1所述的设备，其中，从所述p-n结式二极管的p-n结到所述催化集电极的距离，是小于所述p-n结式二极管中少数载流子扩散长度的3倍。34.如权利要求1所述的设备，其中所述催化集电极还包括一种催化剂，其中，能量载流子在暴露于吸附质反应物催化剂表面与所述激发发射极半导体间运行的总行程，是小于所述能量载流子沿所述路径的总能量平均自由程的3倍。35.如权利要求1所述的设备，其中，发射载流子输送是用来输送所述催化集电极和所述激发发射极中的能量载流子。36.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括一个连接所述催化集电极和所述激发发射极的欧姆导电连接。37.如权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括一个连接所述催化集电极和发射极的隧道肖特基结。38.如权利要求34所述的设备，其中所述催化剂包括一个或多个催化剂簇。39.如权利要求38所述的设备，其中所述催化剂还包括包裹所述一个或多个所述催化剂簇的一种或多种加速剂-减速剂。40.如权利要求39所述的设备，其中所述一种或多种反应加速剂-减速剂包括一种氧化物。41.如权利要求40所述的设备，其中所述氧化物包括选自钛、铈、稀土金属、锡、铅和铝的氧化物中的一种。42.如权利要求40所述的设备，其中所述氧化物包括所述催化剂材料。43.如权利要求38所述的设备，其中所述催化剂还包括邻近于所述一个或多个催化剂簇的一种或多种反应加速剂-减速剂。44.如权利要求38所述的设备，其中所述催化剂还包括一种或多种反应加速剂-减速剂与所述一个或多个催化剂簇相接触。45.如权利要求34所述的设备，其中所述催化剂具有的德拜(Debye)频率是小于至少一种吸附质反应物能量释放的主模式的振动衰退频率。46.如权利要求1所述的设备，其中所述催化集电极包括一种具有德拜温度小于500K的材料。47.如权利要求34所述的设备，其中所述催化剂包括选自Au、Ag、Pt、Pd、Cu、In、Fe、Ni、An和Mo中任意一种的材料。48.如权利要求34所述的设备，其中所述催化剂是形成为金属簇。49.如权利要求34所述的设备，其中所述催化剂形成为一种量子禁闭结构。50.如权利要求1所述的设备，其中所述催化剂集电器还包括至少一种电极底层金属，所述电极底层金属形成在所述激发发射极与所述催化集电极中的催化剂之间。51.如权利要求50所述的设备，其中所述电极底层金属形成为所述催化集电极中的一个或多个催化剂的一个基质。52.如权利要求50所述的设备，其中所述电极底层金属形成为所述催化集电极中的一种或多种反应加速剂-减速剂的一种基质。53.如权利要求50所述的设备，其中所述电极底层金属的厚度小于穿过它的所述激发的能量平均自由程的3倍。54.如权利要求50所述的设备，其中，一个欧姆结形成在所述电极底层金属和所述激发发射极之间。55.如权利要求50所述的设备，其中，一个隧道肖特基结形成在所述电极底层金属和所述激发发射极之间。56.如权利要求50所述的设备，其中一个准欧姆结形成在所述电极底层金属和所述激发发射极之间。57.如权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括一个耦合到吸附质反应区的光学腔。58.如权利要求57所述的设备，其中所述光学腔被调节成为所述激发发射极、所述催化集电极和所述吸附质中至少一个的激发带结构中的选择能级跃迁。59.如权利要求57所述的设备，其中所述光学腔包括介电微腔。60.如权利要求57所述的设备，其中所述光学腔刺激辐射的发射。61.如权利要求57所述的设备，其中所述光学腔刺激所述激发发射极的激发带结构的能量跃迁。62.如权利要求1所述的设备，其中所述一种或多种形式能量包括脉冲能量。63.如权利要求62所述的设备，其中所述一种或多种形式能量包括脉冲电能。64.如权利要求62所述的设备，其中所述一种或多种能量包括脉冲光能。65.一种转化吸附质反应能量为动力的方法，包括耦合吸附质一催化剂的一个或多个激发带结构到激发发射极的一个或多个激发带结构中；优化所述耦合到所述激发发射极中的一个二极管中；和转化所述二极管中的一种或多种激发为动力。66.如权利要求65所述的方法，其中所述耦合包括在所述吸附质-催化剂中形成具有一种或多种量子禁闭表面结构的催化集电极。67.如权利要求65所述的方法，其中所述耦合包括调节一个或多个光学腔到所述吸附质-催化剂和激发发射极中至少一个中的所述一个或多个激发带结构的频率。68.如权利要求65所述的方法，其中所述耦合包括在所述吸附质-催化剂中形成一个催化集电极，所述优化包括约束位于暴露于吸附质反应物的所述催化集电极表面与所述激发发射极之间区域的厚度，所述区域的厚度小于在所述催化集电极与所述激发发射极之间交换的热载流子的能量平均自由程的3倍。69.如权利要求65所述的方法，其中所述优化包括选择一种基质，所述基质具有的带隙能量小于或等于所述吸附质-催化剂中选定的激发。70.如权利要求65所述的方法，其中所述优化包括调节所述二极管的正向偏压，使所述激发发射极中的激发能带与所述吸附质-催化剂中的激发能带相匹配。71.如权利要求65所述的方法，其中所述耦合包括选择一种催化剂，所述催化剂具有的德拜频率低于所述吸附质-催化剂体系中所述一个或多个激发结构的选定能级。72.一种转化反应能为动力的方法，包括转化一种或多种吸附质反应物为热载流子；在所述热载流子输送到一个二极管时保持所述热载流子是热的；转化所述热载流子为所述二极管的正向偏压。73.如权利要求72所述的方法，其中所述方法还包括转化所述热载流子为少数载流子；输送所述少数载流子到所述二极管的一个p-n结区；和产生一个正向偏压以产生动力。74.如权利要求72所述的方法，其中所述动力包括电能。75.如权利要求72所述的方法，其中所述方法还包括由所述二极管中热载流子形成一种布居反转；和引出光能。76.如权利要求75所述的方法，其中所述引出包括引出激光作用。77.如权利要求75所述的方法，其中引出包括引出超辐射发射。78.如权利要求72所述的方法，其中所述方法还包括改进一种催化集电极中的一种材料的一种或多种电子状态密度，使它与具...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼C祖佩罗，贾瓦哈M吉德瓦尼，
申请(专利权)人：内奥克斯梅特有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]