CN1409883A - 表面催化剂红外激光器 - Google Patents

表面催化剂红外激光器 Download PDF

Info

Publication number
CN1409883A
CN1409883A CN00817068A CN00817068A CN1409883A CN 1409883 A CN1409883 A CN 1409883A CN 00817068 A CN00817068 A CN 00817068A CN 00817068 A CN00817068 A CN 00817068A CN 1409883 A CN1409883 A CN 1409883A
Authority
CN
China
Prior art keywords
catalyst
equipment
energy
matrix
oxygen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN00817068A
Other languages
English (en)
Inventor
安东尼·C·祖佩罗
贾瓦哈·M·吉德瓦尼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Neokismet LLC
Original Assignee
Neokismet LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Neokismet LLC filed Critical Neokismet LLC
Publication of CN1409883A publication Critical patent/CN1409883A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/095—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using chemical or thermal pumping
    • H01S3/0951—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using chemical or thermal pumping by increasing the pressure in the laser gas medium
    • H01S3/0953—Gas dynamic lasers, i.e. with expansion of the laser gas medium to supersonic flow speeds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22—Gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22—Gases
    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

一种用来形成激光辐射的方法和设备，是通过提供一种燃料(105)如甲醇、乙醇、一氧化碳和/或氢，和空气(106)到一种催化剂(102)如铂上，所述催化剂是放置在由激光镜(107)和(108)所形成的多色共振光学腔的底下。所述催化剂表面充满有吸附的燃料基团，仅为氧吸附留下相对少的位点。在这种条件下，所述氧离解为具有大约1eV能量的两个氧原子或自由基(即“热原子”)。这些氧的“热原子”找到燃料基团作为碰撞伙伴，并形成处于它们最高振动状态的反应产物。一种振动反转布居是辐射的受激发射的先决条件。

Description

表面催化剂红外激光器
技术领域
本发明主要涉及用于转化或取出来自烃-氧化剂反应的能量的固态装置。更具体地说，本发明涉及能量的有效转化和取出的方法的显著改进，所述能量以光发射和相干辐射的形式转化和取出自与空气或其它氧化剂在一种催化剂表面上反应的如烃、氢或其它可燃物质之类反应物。
背景技术
一种直接转化化学反应物能量为有用功如电流的方法，是采用电化学耦合如蓄电池和燃料电池。在这种方法中，所述反应物键能的大部分可直接转化为电位。不过，决定这些方法的物理化学大体上限制了这类转化的速率。其结果是单位质量功率和单位体积功率在数值上低于机械发动机。
另一种方法是采用气体动力方法，以直接转化化学能为一种表现为布居反转的动力状态。所述能量以相干辐射的形式从这种系统中被取出。不过，这种方法的反应物和废气，通常是危险的和不适合于人们的安全考虑。而且，这些装置不能有效地最小化。
因此，人们非常希望能有一种简便的用来有效取出的方法和系统，而不需要必须使用有害的产物且在所述方法中不会产生危险的副产物。
一项最近的研究表明，在一种催化表面上使某些简单的高能原子反应，可产生具有布居反转的产物。一种反转布居是辐射的受激发射的先决条件，它是一种用来从所述反应中移去能量和用来保留其高度有用性的方法。
现有技术状态中存在的一个问题是，在所述催化剂表面上产生高能物种如热原子和单原子氧的方法，1)它们保留明显数量的化学能用于反应，而不是作为吸附热浪费它；和2)它们将产生一种反转布居作为反应产物。在产生热原子如单原子氧中存在的问题是，它通常需要使用较可从所得到的化学反应取出的能量更多的电能，来产生所述热原子。
研究表明，单原子高能物种与简单吸附物种的反应可形成振动反转的产物，而且这种反转可在许多体系中发生。例如，研究表明，当气相氧原子与吸附在钨表面上的氘进行反应时，可形成处于反转状态的OD基团，其具有出现在振动能级6的最高布居。这表明所述可利用反应能的大部分是集中在反转状态中。Shin，HK，“Vibrationally Exicited OD Radicals From The Reaction OfOxygen-Atoms With Chemisorbed Deuterium On Tungsten，”Journal Of Physical Chemistry A，v.102(#13)，pp.2372～2380，MAR26，1998。
类似的研究表明，气相原子氧与吸附氢在表面反应，可在100fs(毫微微秒)内产生布居反转的OH基。Ree J，Kim YH，ShinHK，“Dynamics Of Gas-Surface Interactions：Reaction Of AtomicOxygen With Chemisorbed Hydrogen On Tungsten，”Journal OfPhysical Chemistry A，v.101(#25)，pp.4523～4534，JUN19，1997。
Kim，M.S.和J.Ree，“Reaction Of Gas-Phase AtomicHydrogen with Chemisorbed Hydrogen Atoms on an Iron Surface，”Bulletin of the Korean Chemical Society，Volume18，Number9(1997)，COMMUNICATIONS，pp985～994中则表明，气相原子氢可与一种铁表面上的化学吸附氢进行反应，以形成布居反转的脱附双原子氢分子。
已经知道，当气相原子氧与吸附于铂催化剂表面上的一氧化碳进行反应时，反应碰撞产生具有振动能量对应于v3＝9～13的分子的分数，发现是非常高的，并具有振动布居反转。Ree，J.；Y.H.Kim，和H.K.Shin，“Reaction of atomic oxygen with adsorbedcarbon monoxide on a platinum surface，”Journal of ChemicalPhysics，January 8，1996，Volume104，Issue2，pp.742～757。除了该反应的单原子氧原子必须要采用无效方法即电弧产生外，这种方法是有用的。
另外的研究表明，单原子氧原子可直接通过用UV线辐射而在催化表面上产生。这类辐射最可能的结果是产生单原子化氧原子。下一个最可能的结果是脱附。这种方法的问题是UV线产生并转化为离解氧原子的低效率。Tripa，C.Emil，Christopher R.Arumaninayagam，John T.Yates，Jr.，“Kinetics measurements ofCO photo-oxidation on Pt(111)，”Journal of Chemical Physics，July22，1996，Volume105，Issue4，pp.1691～1696。
相关的研究还表明，氧分子优先地吸附在催化剂如铂的台阶位(step sites)，光产生的单原子氧原子优先与同样吸附在所述台阶位的其它基团或分子进行反应。由吸附在结晶固体上的排列分子的光分解作用所产生的原子和分子物种，倾向于优先以与所述晶体表面有关的特定方向进行移动。例如，光产生的单原子氧优先与吸附的CO进行反应以形成激发态CO2。此处的特征为所述热原子与其它表面反应物反应的效率。此处存在的问题是热原子的优先产生。Tripa，C.Emil；John T.Yates Jr，“Surface-aligned reaction ofphoto generated oxygen atoms with carbon monoxide targets，”Nature，Vol.398，pages591～593(1999)，15April 1999。
另外的研究表明，所述UV光子可在一种催化剂金属表面上产生热电子，且它们能与吸附氧进行剧烈地反应，从而使捕获的氧原子离解或脱附。突出之处在于吸附质在它们离解之前是处于亚稳态，而且所述热电子可有效地刺激这类状态。实验表明，气相氧分子首先吸附作为一种超氧类物种(表面带单电荷的分子)，它们接着被捕集在一个数值为0.1eV的狭窄势垒中。接着，所述分子可克服势垒，并在数值为0.5eV的势垒变为一种过氧类物种(双电荷)。最后，所述分子可克服这个势垒，并离解为热原子。前体相的存在明显是非常常见的，可在铂、钯和铱催化剂的不同形式中观察到。Nolan，P.D.；B.R.Lutz，P.L.Tanaka，J.E.Davis，和C.B.Mullins，“Molecularly chemisorbed intermediates to oxygenadsorption on Pt(111)：A molecular beam and electron energy-lossspectroscopy study，”Journal Of Chemical Physics Volume111，Number8，22 August1999。Nolan PD，Lutx BR，Tanaka PL，Mullins CB，“Direct verification of a high-translational-energymolecular precursor to oxygen dissociation on Pd(111)，”SurfaceScience v.419(#1)pp.L107～L113，DEC24，1998。Nolan，P.D.；B.R.Lutz，P.L.Tanaka，J.E.Davis，和C.B.Mullins，“Translational Energy Selection of Molecular Precursors toOxygen Adsorption on Pt(111)，”Physical Review Letters，VOLUME81，NUMBER15 12OCTOBER1998。Davis，J.E.；P.D.Nolan，S.G.Karseboom，和C.B.Mullins，“Kinetics anddynamics of the dissociative chemisorption of oxygen on Ir(111)，”J.Chem.Phys.107(3)，15July1997，pp943，10pages。
反转产物可由缔合(associative)脱附而形成。实验表明，由氨在Ru上的催化分解(裂解)所形成的氮分子，可能具有一个振动布居反转。所述缔合反应是从所述氮原子的原子分离开始的，它与所述表面催化剂原子的分离相似，且仅仅略微大于产物氮分子的基态。Murphy，M.J.；J.F.Skelly，和A.Hodgson；B.Hammer，“Invertedvibrational distributions from N2 recombination at Ru(001)：Evidence for a metastable molecular chemisorption well，”Journalof Chemical Physics-April8，1999-Volume110，Issue14，pp.6954～6962。
反应速率可通过数值为微微秒持续时间的许多倍而得以进行刺激和提高，时间选择在一份技术出版物中描述的最新实验中有具体的说明。Bonn，M.；S.Funk，Ch.Hess，D.N.Denzler，C.Stampfl，M.Scheffler，M.Wolf，G.Ertl，“Phonon-Versus Electron-MediatedDesorption and Oxidation of CO on Ru(0001)，”Science，Volume285，Number5430 Issue of13 Aug 1999，pp.1042～1045。
伸缩分子表示这样的条件，在其时，在振动变动过程中所述原子分离是从在极值曲线处的缔合作用开始的，限定反应产物在最高的激发态。要说明的是，所述“振动”模式也包括所述表面上所有物种克服该表面的振动。
催化剂表面上的简单反应物基团，可能优先以物理简单方式形成，它经常是强烈地有利于能量集中的单一振动模式，接着有利于反转布居。而且，外部供给所述催化表面的单原子氧原子，可能会在一氧化碳反应的产物二氧化碳和氢的表面催化氧化反应中形成布居反转。
因此，所述氧吸附过程浪费大约一半的反应能量作为催化剂表面上的热量。所以，人们非常希望有一种新的方法，以保存这类能量并取出它作为有用的能量。
发明内容
本发明涉及一种方法和系统，它可使用一种催化剂和反应物从而形成产生所述反转布居所需要的“简单高能原子”。在一种实施方式中，本发明捕获反应能量是基于这样的理论，即在一种催化表面上反应的部分高能原子，可产生具有布居反转的产物。
本发明可在一种催化剂表面上从燃料和氧化剂反应产生布居反转的反应产物。作用在所述反转布居上的激光，将会有效地从所述系统中取出所述能量。一个实例是使用在催化剂表面上氧的离解吸附过程中产生的热原子，在这些表面上提供高能氧自由基，并促使与燃料物种直接和立即进行反应，而且在所述催化剂表面上，它使反应倾向布居反转产物的形成。燃料物种的实例包括(但不限于这些)氢、羟基、一氧化碳或一种烃的片断。
本发明的另一实例，是通过选择催化剂物种使所述反应倾向于形成产物分子(它们在从所述催化剂表面上脱附时是伸缩的)而产生一种布居反转的。另一实例是通过选择催化剂使所述反应物偏向于使简单反应物具有从离解脱附中可获得能量的大部分。另一实例是采用一种固态方法，以直接提供热电子，而不采用UV线，它依次来刺激所述前体、过氧-化学吸附的氧化剂的离解，并引发雪崩似的表面反应。
在一个实例中，本发明采用激光从一种反转布居中取出能量，从而使所述化学反应能量绝大部分(有些情形中是大部分)，转化为一种或多种接近单色的相干光束。这种光束可保存高质量的能量，而且这是最为有用的，这是因为它可有效地转化为电能，例如，通过使单色光束进入到具有带隙小于所述光束光子能量的光电池中，并可通过其它装置等效地转化为机械能。
附图说明
现在将对本发明优选实施方式进行说明，例如，是通过参照附图进行说明，其中：
图1所示为在本发明一种实施方式中使用分开的反应物用来产生能量的设备的截面示意图；
图2所示为本发明一个实施方式中使用自由流动的混合反应物以形成反转激发态产物以产生能量的设备的截面示意图；
图3所示为一个实施方式中用来通过外部刺激和引发反应以产生能量的设备的截面示意图。
具体实施方式
本发明涉及使在一种催化剂表面上进行的反应倾向于，使得它们释放出大部分能量到产物物种中，作为本发明方法的结果，所述产物物种表现出布居反转。
与吸附和脱附相关联的伸缩分子，具有密切相关的可逆效应，两者都与布居反转相关。在一种实施方式中，一种本发明的方法是采用由离解化学吸附所产生的热原子与一种富燃料的催化剂表面进行反应；在另一种实施方式中，一种本发明的方法是采用在从催化剂表面的缔合脱附过程中产生的伸缩分子；在又一种实施方式中，本发明的方法是采用从催化剂表面脱附或在这些表面上振动了有效长时间的激发态简单产物；所有方法都能够产生具有布居反转的反应产物。
根据本发明的一种实施方式，一种催化剂表面充满燃料如乙醇、甲醇、醇类或烃重整炉的气态产物。所述烃重整炉产物可包括(但不限于这些)CO和H2。选用一种催化剂，使得全部或几乎全部反应物都吸附在所述催化剂表面之上。许多催化剂能够满足这些条件，特别是铂族催化剂。所述燃料在所述催化剂表面如一种铂催化剂上化学吸附，并离解为简单的基团。在有利的条件下，如当催化剂表面是冷却的，或当所述混合物是富燃料的，所吸附的燃料分子将会占据大部分的表面位点，而留下相对少的位点给氧吸附。所述氧，当其在这些条件下吸附时，经由一种过程进行离解，在所述过程中，观察到几乎全部离解能，被两个单原子氧原子或自由基间平等地分享，移动离开所述离解位点的每一个自由基都具有大约1eV(电子伏特)的能量，也就是说，具有几乎全部的化学吸附离解能。这些具有1eV动能的自由基，称之为“热原子”。
在本发明中，这类热原子几乎仅发现吸附的燃料基团作为第一、最近的和次最近的碰撞伙伴，因为所述催化剂表面充满着燃料。因此，所述热原子自由基直接将非热能放置到所述化学反应坐标(coordinate)中，并迅速地与所述碰撞伙伴反应，其结果是具有大约1eV的能量，它大约为引发所述反应所需要的测得的活化能(通常为0.5eV)的两倍，并形成反应产物(它们必定是在它们的最高激发振动状态时形成的)。
根据本发明，从所述离解过程中形成的热原子，当它在催化剂表面上达到平衡之前可用来进行反应，从而就不会以热能形式浪费能量到所述基质或催化剂晶格上，而是可以利用几乎全部的由布居反转得到的吸附能量。
在本发明的一个实施方式中，采用约单层或更多敷层的燃料反应物的表面，也可降低所述氧吸附物种的吸附能，吸附热则将变得对反应产物是无效的。
本发明还涉及从与新近形成的振动能量相关联的多重量子能级中取出能量，无论所述物种是否保留吸附在所述催化剂的表面上。所述多重量子跃迁，都是对表面物种活性的偶极子。
在本发明的一种实施方式中，一种光学系统，例如激光，可在高度粒子数的更高振动量子数能级和稀少粒子数的较低量子数能级之间使辐射的受激发射得以发生，从而以相干辐射的形式移走大部分的所述能量。
在一个实施方式中，一种光电装置可将由所述布居反转所发射的辐射直接转换为电能，可以采用激光，也可不采用激光。
所述激光可在能级间使用泛频跃迁，从而形成通常与单能级跃迁相关联的多重如双重、三重或更多的跃迁频率。
这可通过采用一种调节泛频跃迁的光学腔来实现，例如，跨越2、3或更多的激发态反应产物的振动跃迁，并光学封闭所述表面反应区。所述激发态产物通常为羟基、水分子、一氧化碳或二氧化碳物种。
实现此目的的另一种方法，是采用不同频率的顺序激光刺激脉冲，以控制和排序所述反转产物物种的跃迁。所述辐射每次当它流过所述反转介质中得到放大。这类连续输入辐射从而可减少所述反转产物的多级振动能级的选定反转级数。
制造激光腔的技术状态，可允许有利于光共振区具有反应物和小室的几何形状。实现此目的的一种方法是自一个光子带隙圆柱内腔形成一个激光腔，其中，所述腔是通过在一种氧化硅-空气光子晶体纤维中限定光线在一个中空核心(一个很大的气孔)中而形成的。
在本发明的一个实施方式中，泛频跃迁的使用放大了较高能级跃迁与较低能级跃迁之间的频率或能量差，从而可允许本发明选择这类跃迁并排序它们的刺激和激发。也就是说，受激发射可依次先在最高能级间得到刺激，然后在中等能级得到刺激，直到较低能级得到刺激。与所述化学反应产物多级跃迁相关联的势阱，可使得高能级跃迁的能级间距变为接近较低能级跃迁，当所述能级接近所述势阱的顶点时，它可允许区分和选择想要的跃迁。
在一种实施方式中，发现使用强电场在催化剂表面打破对称，引起分子极化并引起其它的禁阻分子跃迁如吸附的振动激发产物的多重泛频跃迁，表现出强的偶极跃迁矩阵元素。它转而允许多量子跃迁，并使这些跃迁变为受激发射的活性候选物。
本发明还提供了一种用来嵌入所述反应物种到所述表面上的方法，使得所述反应物的红外线吸收可吸收最少可能部分的想要的发射，从而导致系统效率增加。
在一种实施方式中，所述燃料物种，对于宽带长波长红外吸收来说是已知的，它们可从一种多孔基质、从管道之内，和/或从以所述激光频率反射IR辐射的通道得到嵌入，在该处，这些管道可具有钻入它们之中以允许流体流动的微米或纳米小孔，而且在该处，这类管道或通道可具有设置在它们表面上的催化剂簇或层。一种这类系统，是灯芯燃料输送系统。这种系统将包括一个燃料层(它可为一种湿材料如被燃料弄湿的金属回丝或纤维)或一个燃料通道，和一个多孔基质(其表面含有催化剂或催化剂簇)。所述多孔基质与所述灯芯系统是接触的。所述基质可为一种沸石、一种气凝胶或一种气凝胶或其它可通过小孔(它们可采用激光进行钻孔)渗透的适合基质。
在一种实施方式中，使用泛频辐射可设置所述腔的主要频率在射程之外并明显地高于与强IR吸收相关联的光谱区。
本发明还涉及使激发态的吸附分子物种延长所述产物物种的振动寿命，从而使所述振动能在能量取出过程中最少地浪费到所述晶格中。
在一种实施方式中，所述基质(其上有催化剂簇)可为一种非导体，其中，使用所述非导体已经表明可提高某些振动物种的寿命，其数值可高于相同物种在一种导电基质上的寿命数值。
在一种实施方式中，所述基质可经选择，使得所述基质的振动频率与所述催化剂的频率不匹配。这将孤立和分离来自所述基质振动的超晶格振动。这可提高激发态产物在所述表面上的寿命。这类材料可包括，例如，化学气相沉积金刚石，它具有非常高的相对声子频率，或另一个实例铅，它具有非常低的声子频率。
本发明还涉及引起反应雪崩，它反过来可用来引起相干辐射的高峰值脉冲。在本发明的一个实施方式中，如过氧前体吸附氧分子之类的物种，可通过采用由一种固态正向偏压二极管所产生的热电子，根据电的需要，而受激离解。在这类二极管中，所述催化剂是一种金属-半导体肖特基(Schottky)二极管的金属电极和二极管元件。当所述金属元件的厚度小于所述二极管中电子的能量平均自由程的数倍时，由于正向偏压注射到所述金属中的那些电子，形成热电子，它们具有的能量至少与正向偏压和所述肖特基势垒高度的总和的数值相当。
这些中间体过氧物种具有的克服离解的活化势垒，其数值为0.3eV。这类捕获中间吸附质的典型离解吸附活化势垒，其数值为0.1～0.6eV。在所述金属铂、钯、钨、铜、银和金与一种半导体如硅之间形成的二极管的典型肖特基势垒，通常其数值为0.5V。0.5V的正向偏压将会使所述催化剂和其吸附质表面充满1eV的热电子。
在本发明的一种实施方式中，限制刺激电子能量不仅可以引发吸附质前体状态的跃迁进行离解，而且，可对所述引发产生倾向性，这样，所述跃迁就不会返回而发生脱附。如果所述吸附质返回，则限制所述刺激电子能量将会提高沿着想要方向前进的分量。对于所述刺激能量来说，低于离解势垒的能量是合适的。合适的能量选择也是在离解之前状态的势垒的能量之上。例如，对于铂上的过氧状态的氧来说，所述势垒具有的差值数值为0.2eV。由我们发明所产生的理想的热电子，具有的能量扩展度将低于这个差值如0.2eV，所具有的绝对值位于吸附态的反应范围之内如0.1～1eV之间。
另一种使有利于离解路线的辐射吸附产生倾向性的方法，是提高如过氧化学吸附物种之类物种的振动能级。这样，本发明可使用一种光学腔以增强辐射。例如，铂上的过氧化学吸附氧具有690cm-1(红外光)共振。这类辐射的一种光源，如通过放电或通过二极管激光产生的光源，将会选择地刺激这种共振。
另一种方法可以提供这类光辐射，是以这样的方法进行的，它可按频率和时间进行排序。线性调频脉冲激光是一种实现此目的的方法。有些由这种方法所产生的辐射和本发明的设备可制成为这种想要的辐射。
根据本发明，催化剂表面上的其它物种如燃料分子或基团，也可用作热电子吸收剂。同样地，它们可离解其自身为基团，或转移能量到所述过氧一和超氧-化学吸附氧前体上，以刺激所述反应雪崩。
在一种实施方式中，当需要对所述反应引发时间进行控制时，所述催化剂可选择相对离解具有高活化势垒的带电前体，一种通常使催化剂低活性的状态。
在一种实施方式中，采用热原子的本发明所述能量转换装置包括：
基质如催化剂自身、氧化硅、氧化铝、氧化钛、半导体、或常规的其上设置有如铂纳米簇催化剂的材料；
一种被燃料充满所述催化剂表面的元件，如充满有液体燃料的多孔基质；
一种使作为氧化剂的空气进入到所述室中的装置，如一个可允许空气进料和反应产物废气流过所述催化剂表面的通道；
烃反应物燃料如液态乙醇、甲醇、更高的醇类或烃重整炉的产物如含有氢和一氧化碳的混合物；
一种多色共振光学腔，其封闭所述催化剂表面反应区；和
一种激光系统，是采用所述光学腔从反应产物的所述反转布居中取出相干辐射。
按照一种实施方式，所述热原子产生的缔合反应物，处于它们最高的振动状态，不需要从外部提供这类单原子物种。
在有些反应物-氧化剂-催化剂情形中，所述反应物如羟基立即脱附，这将使它们处于一个长的存活状态(大约200微微秒，介于与其它气体分子的碰撞与10～100次碰撞寿命之间)。在这种情形中的所述激光系统，刺激跃迁以移走振动能量。所述羟基将不会发现许多其它与之共振交换能量的羟基，从而排除了经由所述分子振动激发的共振碰撞交换的快速热化。
在其它情形中，所述产物，通常是振动激发的OH或CO，可保留在所述催化剂表面上，且在这种情形中，所述振动寿命处于微微秒数量级。在这种情形中，所述催化表面电场将使多量子跃迁变为具有更强的偶极活性，且所述激光系统现在可引发第二、第三或第四泛频，例如激发态OH或CO。在每点每秒转换数为10000时，典型优良催化剂在它们想要的操作条件下进行操作，一个100层/cm的反应室，将会产生100瓦/cm3的反转布居。这可允许在其它难以进行的条件下进行受激发射。
图1所示为实现这些构思的一种装置的横截面的示意图。
在图1中，一种基质101(其上固定有一种催化剂102)，在该处，一个气流通道103引导空气104流过所述催化剂102。所述催化剂基质101是多孔的，它可允许燃料105从所述基质101的燃料一侧流过，液态或气态燃料是被所述燃料通道106导向所述基质101的。一个多色共振光学腔(它是由激光镜107和激光输出镜108所形成)、一个激光控制系统109和一个更大光学腔110，封闭所述催化表面反应区110，并以相干光111的形式取出能量。废气112离开所述系统并流出排放通道113。结构材料114支撑这些元件并形成燃料、空气和废气通道。
在另一种实施方式中，本发明是采用伸缩分子缔合脱附或激发态产物从催化剂表面脱附。在此实施方式中，一种能量转换装置包括：
基质如催化剂自身、氧化硅、氧化铝、氧化钛、半导体、或其上设置有一种精选的催化剂的精选材料；
一种用于使燃料和空气(氧化剂)进入到所述室中的装置，如一个可允许空气进料和反应产物废气流过所述催化剂表面的通道；
液态乙醇、甲醇、更高的醇类或烃重整炉的产物如含有氢和一氧化碳的混合物，作为所述烃反应燃料；
一种多色共振光学腔，封闭所述催化剂表面反应区；和
一种激光系统，是采用所述光学腔从反应产物的所述反转布居中取出相干辐射。
按照这种实施方式，反应物和催化剂的结合，它已经过选择以有利于反转产物的形成，可使之流到含有催化剂表面的反应室中，在该处，所述光学封闭共振腔和其联合的激光系统，取出相当分数的产物反应能量作为辐射。所述产物接着排放，并从所述光学封闭系统中移走，它可移走基态物种，并保持布居反转。
一种实现此目的的方法，是所述光学腔仅封闭一个接近所述催化剂表面的区域，也就是说，使用一种表面激光器，同时允许气体流出所述表面区域。表面激光技术的状态，如圆盘激光器和单模光子带隙系统，可许可这种圆柱对称的气孔系统。
而且，催化剂可按照其中催化剂具有按技术术语来说为“压力差”的方法进行选择。对于钌上的CO氧化反应来说，富氧吸附降低了氧的吸附热，可以允许所想要的氧化反应进行并使Ru成为一种最为活性的催化剂之一，而在超高真空条件下进行的特性则表明Ru是一种最差的催化剂之一。
在这种实施方式中，人们可设计所想要的催化剂的性能。已经观察到，其它催化非活性的金属如金，可变为活性的且相对良好的催化剂，例如，在当底层的金属层数目下降到如1和2个单层之时。
在6个或更多单层时，金对于氧离解的亲合力已经观察到是很小的。当单层数目降低到3或2时，所述亲合力足以离解氧，但还不会强到结合到所述金金属上，使得所述2个单层催化剂是有效的。在1个单层时，所述金基质催化剂对氧的亲合力太强，使得所述氧不可能进行反应。
在一种选择本发明催化剂的方法中，一种制造和选择有利于伸缩分子的催化剂的方法包括：
从整组金属中形成一列催化剂备选者；
选择所述催化剂使催化剂原子间的原子间距能够使流出通道的反应产物形成一种具有伸缩键的产物；
形成一种催化剂簇，它包括原子单层以纳米尺寸的簇存在于一种氧化物基质上；
选择单层数目以控制氧和燃料的亲合力。
例如，选择一种放置在氧化钛上的2个单层厚度的金催化剂，以有利于一氧化碳氧化反应。
图2所示为一种用来实现这些构思的设备的横截面示意图。图2所示，一种基质201安放在支座202上，其上固定有一种催化剂203，它可使从所述入口通道206进入的燃料204和空气205进行反应，将要形成的激发态产物和辐射在所述反应通道207中，并使废气208经由废气通道209排放出去。一个多色共振光学腔，它是由激光镜210和激光输出镜211所形成，一个激光控制系统212，和更大的光学腔和反应区207，封闭催化表面反应区域，并以相干光213的形式取出能量。
在一种实施方式中，有利于反应雪崩的刺激和时间控制的本发明可包括：
一个与用于前述实施方式中相似的室；
一个半导体基质和催化剂形成一个肖特基二极管，催化剂厚度小于或约等于所述金属中电子的能量平均自由程的数倍；
一种用来在所述二极管上提供脉冲正向偏压的装置。
在一种实施方式中，一种短脉冲光源如激光器也可用来提供热电子以激发所述捕获的吸附质。例如，这类光源将使存在于一种铂催化剂上的化学吸附过氧类双电荷氧分子物种，以加速其跃迁越过所述约0.29eV的势垒，在该处所述分子物种优先移动从而离解。这有利于离解作用，这是因为所述反转反应，形成超氧类单电荷分子氧，具有更高的活化势能，所述激光器可提供最快和最短的脉冲。替代地，一种热电子注入二极管也可采用。
按照一种实施方式，用0.5～1V对所述二极管进行短时间如微微秒的脉冲，使所述双电荷分子氧的大部分能量提高到离解所需要的水平。
在一种绝热基质上的金属的瞬时加热所产生的热电子，可用于再生反馈模式以进一步刺激所述过氧类物种。在这种方法中，相对于所述系统输出能量，可能需要非常小数量的刺激物能量。
图3所示为一种用来实现某些构思的设备的横截面示意图。图3所示，在所述催化剂表面上的反应在脉冲中受激进行，在很短时间内集中随后辐射的能量。一种燃料301和空气302混合物经由入口通道303进入到反应区中，并与所述催化剂表面304进行接触，并物理吸附、化学吸附或吸附。所述催化剂304和所述半导体基质305形成一种肖特基二极管。所述催化剂304的厚度其数值为1～5纳米，它小于优选催化剂如铂、钯、钨、铑、钌、铜、银或金中电子的平均自由程。
正极在催化剂电极306上和负极在半导体欧姆触点307上的短电脉冲，在由所述催化剂-半导体元件所形成的二极管中形成一个正向偏压和正向电流。这种正向电流的电子具有约等于和超过所述正向偏压的过剩能量，这些电子会充满所述催化剂表面，引起化学反应雪崩。所述热电子引起捕集在前体状态中吸附的、化学吸附的分子物种越过它们的活化势垒，并以原子物种形式吸附在所述催化剂表面上。
所述电触发脉冲使反应物全部立即一起反应，使产物浓度的数值增大，例如在所述反应通道308中辐射的激发态物种。废气309经由所述废气通道310放出。
一种由激光镜311和激光输出镜312所形成的激光器、一个激光控制系统313和更大的光学腔和反应区308，封闭所述催化表面反应区域，并以相干光314的形式取出能量。
尽管本发明已经参照其优选实施方式对其作了具体的说明和描述，但是，本领域技术人员应该能够理解，在不远离本发明精神和范围的情形下，对前述的和其它的改变可在形式和细节上进行。例如，本领域技术人员将能理解本发明的特征有时可用于有利条件，而不采用相应的其它本文上述所示或所述的特征。相似地，有些特征可在本发明的范围和等价范围内结合使用，以获得想要的结果。

Claims (50)

1.一种用来在催化剂表面产生热原子作为高能自由基源的方法，包括：
经由一个前体中间捕获，在一种催化剂上吸附一个分子；
用一种或多种反应物分子充满所述催化剂表面。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述吸附包括：
吸附一个氧分子；和
在铂和银之一的上面捕获所述氧分子。
3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
冷却所述催化剂以促使在所述催化剂表面上的冷凝和浓缩。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述充满包括：
用燃料充满所述催化剂表面，使所述离解化学吸附过程倾向于形成热原子氧自由基的方向，其中，所述热原子的碰撞伙伴为所述燃料。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：
选择一种催化剂，使所述氧化剂化学吸附、离解和物理吸附能为可获得的化学键能的一部分；和
所述充满包括用氧化剂基团充满所述催化剂表面以使所述离解化学吸附过程倾向于形成热原子燃料自由基的方向，其中，所述热原子的碰撞伙伴为燃料物种。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述含热原子的分子为燃料。
7.如权利要求6所述的方法，还包括：
选择铂、钯、铱、铼、铑中之一或其组合为所述催化剂。
8.如权利要求6所述的方法，还包括：
选择甲醇、乙醇和烃重整炉的产物中之一或其组合为所述反应物物种。
9.一种刺激氧化剂化学反应的方法，包括：
采用一种有利于带电化学前体在催化剂表面聚集的催化剂形成一种催化剂表面，所述前体具有的离解吸附的活化势垒小于恢复到其自身前体状态的活化势垒；和
使所述带电化学吸附前体获得足以超越所述离解势垒的能量。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述前体包括过氧类双电荷氧前体。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述前体包括单超氧和物理吸附状态中之一。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述催化剂包括铂、钯、铱、铼和铑中之一或其组合。
13.如权利要求9所述的方法，还包括：
采用具有预定光子能量的激光引发所述带电前体的能量阱中的跃迁。
14.如权利要求9所述的方法，还包括：
采用电驱动光源发射光辐射，包括红外光辐射，用来使所述带电前体获得足够能量。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述光源包括一种气体放电产生光辐射。
16.如权利要求9所述的方法，还包括：
采用一种由位于所述催化剂表面纳米位置附近之内的场发射电极所提供的电场刺激一种前体离解。
17.如权利要求9所述的方法，还包括：
形成一种催化剂层；
形成一种含有与所述催化剂层接触的二极管的基质，
其中，所述催化剂层厚度可使得从所述催化剂表面上的吸附质到所述基质的距离是小于接近费米能级电子的能量平均自由程的三倍；和
施加一个电能脉冲以正向偏压所述二极管。
18.如权利要求17所述的方法，其中
所述基质具有的导热率至少低于所述催化剂的10倍。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述基质包括薄氧化物层以控制二极管结势垒高度。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述氧化物层具有的厚度为100纳米或更低。
21.如权利要求9所述的方法，还包括：
采用一种脉冲光源、一种脉冲激光、和脉冲电场之一，来刺激所述带电前体。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述刺激是在低于20纳秒时间内进行的。
23.如权利要求22所述的方法，其中在所述刺激过程中的操作温度是低于300K。
24.如权利要求15所述的方法，还包括：
从所述基质中移走热量。
25.如权利要求15所述的方法，还包括：
在一个反应通道中使用燃料和空气之一或其组合，以便从所述基质中移走热量。
26.如权利要求15所述的方法，其中所述电能脉冲包括一种脉冲正向偏压，它足以发射热电子到所述二极管的电极表面中。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述脉冲正向偏压是大于0.1电子伏特。
28.如权利要求9所述的方法，其中采用具有预定能量的一个或多个热电子来使所述带电前体获得能量。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述预定能量低于1eV。
30.如权利要求15所述的方法，其中所述二极管的一个电极是采用与所述催化剂相同的材料构成的。
31.如权利要求15所述的方法，其中所述脉冲持续时间短于在所述催化剂表面上进行反应的时间。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述脉冲持续时间为0.1微微秒。
33.一种用来产生热原子的设备，包括：
一个多孔基质；
一种放置在所述基质上的催化剂，它可允许在所述催化剂表面上进行反应；和
一种激光系统，它环绕在所述催化剂的表面并在催化表面反应区域形成一个光学腔。
34.如权利要求33所述的设备，其中所述催化剂为铂、铱、铑、钌、钯、钨和一种过渡金属之一。
35.如权利要求33所述的设备，其中所述催化剂包括一种单层纳米簇位于一种氧化物基质上。
36.如权利要求35所述的设备，其中所述单层纳米簇包括氧化钛上的金和一种氧化物上的一种金属之中的任一种。
37.如权利要求33所述的设备，其中所述催化剂包括在氧化钛上的金催化剂岛。
38.如权利要求33所述的设备，其中所述多孔基质包括沸石和气凝胶中之一种。
39.如权利要求33所述的设备，其中所述多孔基质包括一种介电反射体。
40.如权利要求39所述的设备，其中所述一个或多个催化剂纳米岛是以低于所述激光辐射的透入深度的相等厚度进行沉积的。
41.如权利要求40所述的设备，其中所述一个或多个催化剂纳米岛的岛间间距至少为数个原子尺寸。
42.如权利要求41所述的设备，其中所述催化剂岛尺寸至少小于所述泛频辐射的1/4波长。
43.如权利要求33所述的设备，其中所述多孔基质包括一种有利于燃料吸附的不传导基质，所述催化剂包括一个或多个有利于氧吸附的纳米尺寸催化剂岛，
其中，一种在所述催化剂上进行的反应的产物在当所述产物迁移和扩散时驻留在一种非导体上。
44.如权利要求43所述的设备，其中所述不传导基质包括氧化铝、氧化硅、氧化钛和离子盐中之一种。
45.如权利要求33所述的设备，其中所述基质为一种不传导离子固体。
46.如权利要求33所述的设备，其中所述光学腔还包括一种二色性的共振器。
47.如权利要求33所述的设备，其中所述设备还包括：
一个围绕所述催化剂表面的第一壁，在所述催化表面和第一壁间形成第一通道，所述催化表面反应区暴露于第一通道，
其中，反应物经由第一通道进入到所述区域中。
48.如权利要求33所述的设备，其中反应的废气经由第一通道离开所述区域。
49.如权利要求33所述的设备，其中所述设备还包括：
一个围绕与所述催化表面相对的所述多孔基质底端的第二壁，所述第二壁和所述底端形成一位于所述第一壁和所述底端之间的第二通道，
其中，反应物可以经由所述第二通道和所述多孔基质进入到所述区域中。
50.如权利要求33所述的设备，其中所述激光系统包括：
设置在邻近于所述基质一端的第一激光镜；
设置在邻近于所述基质相对一端的第二激光镜，所述第一激光镜和所述第二激光镜在所述催化表面反应区域形成一个光学腔；和
一个围绕所述第一激光镜的激光控制器。
CN00817068A 1999-10-20 2000-10-19 表面催化剂红外激光器 Pending CN1409883A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16052799P 1999-10-20 1999-10-20
US60/160,527 1999-10-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1409883A true CN1409883A (zh) 2003-04-09

Family

ID=22577255

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN00817068A Pending CN1409883A (zh) 1999-10-20 2000-10-19 表面催化剂红外激光器

Country Status (14)

Country Link
EP (1) EP1232546A4 (zh)
JP (1) JP2003512729A (zh)
KR (1) KR20020075862A (zh)
CN (1) CN1409883A (zh)
AP (1) AP2002002499A0 (zh)
AU (1) AU1434901A (zh)
BR (1) BR0014907A (zh)
CA (1) CA2388429A1 (zh)
EA (1) EA200200432A1 (zh)
IL (1) IL149221A0 (zh)
MX (1) MXPA02003978A (zh)
NO (1) NO20021870L (zh)
OA (1) OA12069A (zh)
WO (1) WO2001029938A1 (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6649823B2 (en) 1999-05-04 2003-11-18 Neokismet, L.L.C. Gas specie electron-jump chemical energy converter
US6678305B1 (en) 1999-05-04 2004-01-13 Noekismet, L.L.C. Surface catalyst infra red laser
US7223914B2 (en) * 1999-05-04 2007-05-29 Neokismet Llc Pulsed electron jump generator
US7371962B2 (en) 1999-05-04 2008-05-13 Neokismet, Llc Diode energy converter for chemical kinetic electron energy transfer
AU2002236994A1 (en) 2001-01-17 2002-07-30 Neokismet, L.L.C. Electron-jump chemical energy converter
JP4828087B2 (ja) * 2001-05-10 2011-11-30 ネオキスメット エルエルシー エネルギー抽出方法及びエネルギー抽出装置
WO2003003469A1 (en) 2001-06-29 2003-01-09 Neokismet, L.L.C. Quantum well energizing method and apparatus
US9437892B2 (en) 2012-07-26 2016-09-06 Quswami, Inc. System and method for converting chemical energy into electrical energy using nano-engineered porous network materials
KR20160146243A (ko) 2015-06-12 2016-12-21 전관구 금속산화물나노입자 및 금속나노입자 제조방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL6410083A (zh) * 1964-08-29 1966-03-01
US3694770A (en) * 1970-12-18 1972-09-26 United Aircraft Corp Liquid fuel gas dynamic mixing laser
US6114620A (en) * 1999-05-04 2000-09-05 Neokismet, L.L.C. Pre-equilibrium chemical reaction energy converter
OA12068A (en) * 1999-10-20 2006-05-03 Neokismet Llc Solid state surface catalysis reactor.

Also Published As

Publication number Publication date
EP1232546A1 (en) 2002-08-21
NO20021870L (no) 2002-06-14
WO2001029938A1 (en) 2001-04-26
NO20021870D0 (no) 2002-04-19
EP1232546A4 (en) 2003-01-02
OA12069A (en) 2006-05-04
KR20020075862A (ko) 2002-10-07
BR0014907A (pt) 2002-10-01
MXPA02003978A (es) 2004-09-06
IL149221A0 (en) 2002-11-10
EA200200432A1 (ru) 2002-10-31
JP2003512729A (ja) 2003-04-02
AU1434901A (en) 2001-04-30
CA2388429A1 (en) 2001-04-26
AP2002002499A0 (en) 2002-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20120183008A1 (en) Surface Catalyst Infra Red Laser
Chen et al. CO2 conversion using catalyst-free and catalyst-assisted plasma-processes: Recent progress and understanding
US7119272B2 (en) Gas specie electron-jump chemical energy converter
Chuang Laser-induced molecular processes on surfaces
JP2011529531A (ja) 化学ポテンシャルエネルギー生成のためのシステム及び方法
CN101205059B (zh) 碳纳米管阵列的制备方法
CN1409883A (zh) 表面催化剂红外激光器
US20080271778A1 (en) Use of electromagnetic excitation or light-matter interactions to generate or exchange thermal, kinetic, electronic or photonic energy
JP2009505927A (ja) 水から水素と酸素を生成する方法、及びケイ素化合物を用いた水素と酸素の貯蔵方法
Stafast Initial steps in the photochemical vapour deposition of amorphous silicon
CN1409651A (zh) 固态表面催化反应器
JP6861038B2 (ja) 水素供給システムおよび水素供給方法
CN101205060B (zh) 碳纳米管阵列的制备方法
JP2006035174A (ja) 水素吸蔵物及びその製造と利用
CN112154026B (zh) 用于光催化反应的微反应器
Hasselbrink Mechanisms in photochemistry on metal surfaces
Lee et al. Angular distributions of N2 in the photodissociation of N2O adsorbed on a partially oxidized Si (100) surface at 95 K
JP2005113361A (ja) フッ素化アモルファスナノ炭素繊維およびその製造方法、フッ素化アモルファスナノ炭素繊維からなる水素吸蔵材料、水素貯蔵装置および燃料電池システム
CN1894438A (zh) 用等离子体振子辅助化学反应形成材料膜的方法和系统
US20070196268A1 (en) Thermal activation of photocatalytic generation of hydrogen
JP4828087B2 (ja) エネルギー抽出方法及びエネルギー抽出装置
JP2005082878A (ja) 金属オキシナイトライドの製造方法及び光触媒粒子
JP7154708B2 (ja) オゾンガス利用システム
Xia et al. Enhancing CO2 Conversion via Atmospheric Pressure Glow Discharge Plasma Jet Coupled with Catalysts
JP2002154813A (ja) 単層カーボンナノチューブの製造方法とそれにより得られる単層カーボンナノチューブおよび多孔質体原料

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication