JP2003512729A - 表面触媒赤外線レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 メタノール、エタノール、一酸化炭素および（または）水素などの燃料（１０５）および空気（１０６）を、レーザミラー（１０７）および（１０８）により形成された多色共振光学空洞の下に設置された白金などの触媒（１０２）に供給することにより、レーザ放射線を発生させる方法および装置が提供されている。触媒表面は、吸着された燃料遊離基でフラッディングされ、酸素の吸着のために比較的少ない部位を残す。この条件下で、酸素は、約１電子ボルトのエネルギーを有する二つの酸素原子または遊離基（すなわち、「ホットアトム」）に解離される。これら「ホットアトム」の酸素は、衝突相手としての燃料遊離基を見出し、それらの最高の振動状態に在る反応生成物を形成する。放射線の刺激放出には、振動的に反転された母集団が、前提条件である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 ＜発明の属する技術分野＞ 本発明は、一般に、炭化水素‐酸化剤の反応からエネルギーを変換または抽出
するソリッドステート装置に関する。より詳しくは、本発明は、光学的な放出お
よびコヒーレントな放射線という形での、かつ、触媒表面上で、空気または他の
酸化剤と反応する炭化水素、水素または他の可燃性材料などの反応体からの、エ
ネルギーの能率的な変換および抽出のための工程の相当な改良に関する。

【０００２】 ＜従来の技術＞ 化学反応体のエネルギーを電気などの有用な仕事に直接変換する一つの方法は
、電池や燃料電池などの電気化学カプルを用いることである。この方法では、反
応体の結合エネルギーの相当な部分が、電位に直接変換可能である。しかしなが
ら、このような変換の速度は、これら方法の基になっている物理化学により、大
幅に制限される。その結果、動力/質量および動力/体積は、機械的なエンジンの
それより数オーダーも小さいものとなる。

【０００３】 別の方法は、気体力学的な方法を用いて、化学エネルギーを直接、母集団反転
を示す動力学的な状態に変換する。エネルギーは、このシステムからコヒーレン
トな放射線として抽出される。しかしながら、この方法の反応体および排気は、
一般に危険であり、人間の安全性配慮と両立しない。さらに、これら装置は、能
率的に小型化できない。

【０００４】 したがって、工程で、危険な生成物を用いることなしに、また、危険な副生成
物を作り出すことなしに、能率的に抽出するためのより簡単な方法およびシステ
ムを有することが非常に望ましい。

【０００５】 最近の研究は、触媒表面上で反応するある種の簡単なエネルギー性の原子によ
り、母集団の反転を示す生成物が作り出されることを示唆している。反転母集団
は、放射線の刺激放出の前提条件であり、これは、反応からエネルギーを取り出
して、その高度な有用性を保持するための一つの方法である。

【０００６】 先行技術における一つの問題は、触媒表面上で、ホットアトムや単一原子状酸
素などの、エネルギー性が非常に高く、１）相当量の化学エネルギーを、吸着の
熱として放散する代わりに、反応のために保持し、かつ、２）反転母集団を、反
応の生成物として作り出す種を生成する方法である。単一原子状酸素などのホッ
トアトムの生成における問題は、それが、一般に、ホットアトムを作り出すのに
、結果として生ずる化学反応から抽出するのに必要な電気エネルギーより大きな
電気エネルギーを要することである。

【０００７】 研究によれば、簡単な吸着種と反応する単一原子のエネルギー性の種は、振動
的に反転された生成物を形成することができ、かつ、この反転は、多くのシステ
ムで生じ得ることが、示唆されている。例えば、研究によれば、気相の酸素原子
がタングステン表面上に吸着された重水素と反応する場合、OD遊離基が、反転状
態で形成され、振動レベル６で最高の母集団が現れることが分かった。これは、
利用できる反応エネルギーの相当な部分が、反転状態に集中することを表してい
る。Shin, HK, "Vibrationally Excited OD Radicals From The Reaction Of Ox
ygen-Atoms With Chemisorbed Deuterium On Tungsten （酸素原子とタングステ
ン上における化学吸着された重水素との反応から振動的に励起されたOD遊離基）
," Journal Of Physical Chemistry A, V, 102 (#13), pp. 2372-2380, MAR 26,
1996。

【０００８】 また、同様な研究によれば、表面上で、気相の原子状酸素が、吸着水素と反応
すると、100フェムト秒以内で、母集団反転したOH遊離基が生ずることが分かっ
た。Ree J, Kim YH, Shin HK, "Dynamics Of Gas-Surface Interactions: React
ion Of Atomic Oxygen With Chemisorbed Hydrogen On tungsten （気体‐表面
相互作用の力学：原子状酸素とタングステン上に化学吸着された水素との反応）
," Journal Of Physical Chemistry A, V, 101 (#25), pp. 4523-4534, JUN 19,
1997。

【０００９】 また、Kim, M. S. and J. Ree, "Reaction Of Gas-Phase Atomic Hydrogen wi
th Chemisorbed Hydrogen Atoms on an Iron Surface (気相原子状水素と鉄表面
上に化学吸着された水素原子との反応)," Bulletin of the Korean Chemical So
ciety, Volume 18, Number 9 (1997), COMMUNICATIONS, pp. 985-994では、気相
原子状水素は、鉄表面上に化学吸着された水素原子と反応して、母集団反転し、
脱着された２原子状水素分子を形成することが示された。

【００１０】 気相の原子状酸素が、白金触媒表面に吸着された一酸化炭素と反応した場合、
レベルv3 = 9〜13に対応する振動エネルギーを有する分子を作り出す反応性衝突
の割合は、非常に大きいことが分かり、また、振動母集団反転を示すことが、知
られている。

【００１１】 Ree, J., Y. H. Kim, and H. K. Shin, "Reaction of atomic oxygen with ad
sorbed monoxide on a platinum surface （原子状酸素と白金表面に吸着された
一酸化炭素との反応）," Journal Of Physical Chemistry, January 8, 1996, V
olume 104, Issue 2, pp. 742-757。これは、この反応のための単一原子状酸素
原子を、非能率的な手段、すなわち、電気アークを用いて生成しなければならな
い、という事実を除けば、有用であろう。

【００１２】 また、別の研究では、単一原子状酸素原子は、紫外線の照射により、触媒表面
上で直接生成できることが、示されている。この照射のもっとも確立の高い結果
は、単一原子状酸素原子の生成である。次に確立の高い結果は、脱離である。こ
の方法の問題点は、紫外線の解離酸素原子への生成および変換効率が低いことで
ある。Tripa, C. Emil, Christopher R. Arumaninayagam, John T. Yates, Jr.,
"Kinetics measurements of CO photo-oxidation on Pt (111) （Pt (111)上の
COホト酸化の動力学的測定）," Journal of Chemical Physics, July 22, 1996,
Volume 105, Issue 4, pp. 1691-1696. 関連研究では、酸素分子は、白金などの触媒のステップ部位に優先的に吸着す
ること、また、ホト生成された単一原子状酸素原子は、同様にステップ部位に吸
着された他の遊離原子または分子と優先的に反応することも示されている。結晶
質の固体に吸着された整列分子の光分解により生成された原子および分子種は、
結晶面に対して、特定の方向に移動する傾向がある。例えば、ホト生成された単
一原子状酸素は、吸着されたCOと優先的に反応して、励起状態のCO２を作り出す
。ここで特徴は、ホットアトムと他の表面反応体との反応の能率である。ここで
問題は、ホットアトムの優先的な生成である。Tripa, C. Emil, John T. Yates,
Jr., "Surface-aligned reaction of photo generated oxygen atoms with car
bon monoxide targets （ホト生成された酸素原子と一酸化炭素ターゲットとの
表面整列反応）," Nature, Vol 398, pages 591 - 593 (1999), 15 April 1999. また別の研究によれば、紫外線ホトンは、触媒金属表面上にホットエレクトロ
ンを生成し、これらは、吸着された酸素と強く相互作用して、捕捉された酸素を
、解離または脱着させる。目立った点は、吸着物質が、準安定状態で捕捉されて
から解離すること、および、ホットエレクトロンが、このような状態を能率的に
刺激し得ることである。実験によれば、気相酸素分子が、まず、スーパーオキソ
酸様の種（表面上で単一に荷電された分子）として吸着され、次いで、オーダー
0.1 eVの浅いバリヤー内に捕捉されることが、分かった。したがって、分子は、
バリヤーを越えて、オーダー0.5 eVのバリヤー内で、ペルオキソ酸様の種（二倍
に荷電された）になることができる。最後に、分子は、このバリヤーを越えて、
ホットアトムに解離することができる。先駆体相の存在は、明らかにかなり普通
であり、白金、パラジウムおよびイリジウム触媒の各種の形態で観察される。No
lan, P. D.; B. R. Lutz, P. L. Tanaka, J. E. Davis, and C. B. Mullins, "M
olecularly chemisorbed intermediates to oxygen adsorption on Pt (111): A
molecular beam and electron energy-loss spectroscopy study （Pt (111)上
の酸素吸着に対する分子的に化学吸着された中間体：分子ビームおよび電子のエ
ネルギー損失分光学の研究）," Journal Of Chemical Physics Volume 111, Num
ber 8, 22 August 1999. Nolan PD, Lutz BR, Tanaka PL, Mullins CB, "Direc
t verification of a high-translational-energy molecular precursor to oxy
gen dissociation on PD (111) （PD (111)上の酸素解離に対する高並進運動エ
ネルギー分子状先駆体の直接検証）," Surface Science V. 419 (#1) pp. L107-
L113, DEC 24, 1998. Nolan, P. D.; B. R. Lutz, P. L. Tanaka, J. E. Davi
s, and C. B. Mullins, "Translational Energy Selection of Molecular Precu
rsors to Oxygen Adsorption on Pt (111) （PD (111)上の酸素吸着に対する分
子状先駆体の並進運動エネルギーの選択）," Physical Review Letters, VOLUME
81, NUMBER 15 12, OCTOBER 1998. Davis J. E.; P. D. Nolan, S. G. Karse
boom, and C. B. Mullins, "Kinetics and dynamics of the dissociative chem
isorption of oxygen on Ir (111) （Ir (111)上の酸素の解離性化学吸着の運動
力学および動力学）," J. Chem. Phys. 107 (3), 15 July 1997, pp. 943, 10 p
ages. 結合脱着により、反転生成物を形成することができる。実験によれば、Ru上で
アンモニアの触媒分解（クラッキング）で形成された窒素分子は、振動母集団反
転を示し得ることが、分かった。結合反応は、表面触媒原子のそれと似ているが
、生成物窒素分子の基底状態のそれよりほんの少し大きい窒素原子の原子分離か
ら開始される。Murphy, M. J.; J. F. Skelly, and A. Hodgson; B. Hammer, "I
nverted vibrational distributions from N2 recombination at Ru (001): Evi
dence for a metastable molecular chemisorption well （Ru (001)におけるN2
の再結合からの反転振動分布：準安定分子化学吸着井戸の証左）," Journal of
Chemical Physics -- April 8, 1999 -- Volume 110, Issue 14, pp. 6954-6962
. 反応速度が、ピコ秒の持続時間およびタイミングで、刺激して、数オーダー増
大できることは、技術出版物で説明された最近の実験により、解明されている。
Bonn, M.; S. Funk, Ch. Hess, D. N. Denzler, C. Stampfl, M. Scheffler, M.
Wolf, G. Ertl, "Phonon- versus Electron-Mediated Desorption and Oxidati
on of CO on Ru (0001) （Ru (0001)上におけるCOのホノン仲介対電子仲介脱着
および酸化）," Science, Volume 285, Number 5430 Issue of 13 Aug 1999, pp
. 1042 - 1045. 伸長分子は、振動中の原子分離が、最高の励起状態における反応生成物を規定
する極値における結合反応で開始される初期状態を表す。「振動」モードはまた
、表面上の任意の種の、その表面に対する振動も含むことに気が付く。

【００１３】 触媒表面上の簡単な反応体遊離基は、機械的に簡単な方法で、優先的に形成す
ることができるが、これは、単一振動モードでエネルギーを集中するのに非常に
有利な場合が多いが、反転母集団にも有利有利である。さらに、触媒表面に外部
的に供給された単一原子状の酸素原子は、二酸化炭素に対する一酸化炭素反応の
生成物に、また、水素の表面触媒酸化に母集団反転を起こさせ得る。

【００１４】 今まで、酸素吸着反応は、反応エネルギーの約半分を、触媒表面上で、熱とし
て浪費してきた。したがって、そのようなエネルギーを留保・抽出して、有用な
エネルギーにする新しい方法が、強く望まれている。

【００１５】 ＜発明の要約＞ 本発明は、触媒および反応体を用いて、反転母集団の生成に必要な「簡単なエ
ネルギー性の原子」を生成する方法およびシステムに向けられている。一実施形
態では、本発明は、触媒表面で反応するエネルギー性原子のあるものは、母集団
の反転を示す生成物を生ずるという原理に基づいて、反応エネルギーを捕捉する
。

【００１６】 本発明は、触媒表面における燃料と酸化剤の反応から、母集団反転の反応生成
物を作り出す。反転母集団で動作するレーザは、システムからエネルギーを能率
的に抽出するであろう。一実施形態は、触媒表面における酸素の解離吸着中に作
り出されたホットアトムを用いて、それらの表面にエネルギー性酸素の遊離基を
供給し、同様に触媒表面上で、燃料種と直接かつ迅速な反応を起こさせ、母集団
反転生成物の形成に向けて反応をバイアスする。燃料種の例としては、水素、ヒ
ドロキシル、一酸化炭素または炭化水素のフラグメントがあるが、これらには限
定されない。

【００１７】 本発明の別の実施形態は、触媒種の選択で反応をバイアスして、触媒表面から
脱着する瞬間に伸長する生成物分子を形成することにより、母集団反転を生成す
る。また別の実施形態は、触媒の選択で反応体をバイアスして、結合脱着の際に
利用できるそれらのエネルギーの大きな部分を有する簡単な反応体を生じさせる
ことにより、母集団反転を生成する。また別の実施形態は、ソリッドステート法
を用いて、直接、ホットエレクトロンを供給し、紫外線の使用無しに、今度は、
先駆体、ペルオキソ酸化学吸着酸化剤、の解離を刺激して、表面反応のなだれを
生じさせる。

【００１８】 一実施形態では、本発明は、レーザを用いて、反転母集団からエネルギーを抽
出して、化学反応エネルギーの相当な部分、場合によっては、大部分を、一つま
たはいくつかのほぼ単色のコヒーレントな光のビームに変換する。このようなビ
ームは、高品質のエネルギーを保持し、例えば、単色のビームを、ビームのホト
ンエネルギーよりやや小さいバンドギャップを有する光電池に通すことによって
、能率的に電気に変換でき、また、他の手段を通して、機械力に同じく能率的に
変換できるため、最も有用である。

【００１９】 ＜好適な実施形態の説明＞ 以下、本発明の好適な実施形態を、例のみにより、添付の図面を参照して、説
明する。

【００２０】 本発明の目的は、触媒の表面で生ずる反応を、本発明の方法の結果としてエネ
ルギーの相当な部分が母集団の反転を示す生成物種に渡される反応にバイアスす
ることである。

【００２１】 吸着および脱着に関連した伸長分子は、密接に関連した可逆的な効果を有し、
共に母集団の反転に関わる。一実施形態における本発明の方法は、燃料に富んだ
触媒表面と反応する解離性の化学吸着で生ずるホットアトムを用い、別の実施形
態においては、本発明の方法は、触媒表面からの結合脱着の際に生ずる伸長分子
を用い、また別の実施形態においては、本発明の方法は、触媒表面から脱着する
かあるいはそれらの表面で有用な長時間振動する励起状態の簡単な生成物を用い
、どの方法も、母集団が反転した反応生成物を作り出すことが可能である。

【００２２】 本発明の一実施形態によれば、触媒表面は、エタノール、メタノール、アルコ
ールまたは炭化水素改質炉の気体生成物などの燃料でフラッディングされる。炭
化水素改質炉の生成物には、COおよびH２が含まれていてよいが、これらには限
定されない。触媒は、全てのあるいはほとんど全ての反応体が、触媒表面に吸着
されるように選択する。多くの触媒が、これらの基準を満たしており、特に白金
系の触媒はそうである。燃料は、白金触媒などの触媒表面の簡単な遊離基に化学
吸着されかつ解離される。触媒表面が冷却されている場合、あるいは混合物が燃
料に富んでいる場合などの好条件下では、吸着された燃料分子は、表面部位の大
部分を占有し、酸素の吸着には、比較的少ない部位しか残さない。酸素は、これ
らの条件下で吸着されると、解離エネルギーのほとんど全部が、二つの単一原子
状酸素原子、または遊離基の間で等分され、それぞれ、約１電子ボルト（eV）の
エネルギー、すなわち、ほとんど全ての化学吸着解離エネルギーを有して解離部
位から去ることが観察される過程を通して解離される。１eVの運動エネルギーを
有するこれら遊離基は、「ホットアトム」と呼ばれる。

【００２３】 本発明では、このホットアトムは、触媒表面が燃料でフラッディングされてい
るため、最初の、最も近いそして次に最も近い衝突相手として、吸着された燃料
遊離基をほとんど独占的に見出す。したがって、ホットアトム遊離基は、非熱エ
ネルギーを直接化学反応座標に入れ、約１eVのエネルギー、すなわち、測定され
た活性化エネルギー（一般に0.5 eV）の約2倍を有する結果として、衝突相手と
迅速に反応し、必然的にそれらの最高の励起振動状態で生み出される反応生成物
を形成する。

【００２４】 本発明によれば、解離過程から形成されるホットアトムは、それが、触媒表面
で平衡状態に達する前に反応させられ、したがって、エネルギーを基体もしくは
触媒格子に熱として放散しないが、その代わり、吸着エネルギーのほとんど全て
を母集団の反転に利用できるようにする。

【００２５】 本発明の一実施形態では、燃料反応体のほとんど一層またはより大きな被覆を
有する表面を用いて、酸素吸着種の吸着エネルギーを減らしており、さもなけれ
ば、該吸着熱は、反応生成物に利用できなくなるであろう。

【００２６】 本発明の別の目的は、新しく形成された生成物種の振動エネルギーに関連した
多重量子レベルから、該種が触媒の表面に吸着されて留まるかどうかとは無関係
に、エネルギーを抽出することである。多重量子の遷移は全て、表面の種に対し
て双極子アクティブである。

【００２７】 本発明の一実施形態では、最適なシステム、例えば、レーザにより、高度にポ
ピュレートされたより高い振動量子番号のエネルギーレベルと低度にポピュレー
トされたより低い振動量子番号のレベルとの間で放射線の刺激放出を生じさせ、
それにより、エネルギーの相当な部分をコヒーレントな放射線の形で取り出して
いる。

【００２８】 一実施形態では、光起電装置により、母集団の反転で放出された放射線を、レ
ーザを用いてあるいは用いないで、直接電気に変換している。

【００２９】 レーザは、レベル間のオーバートーン遷移を用い、その結果、一般に単一レベ
ル遷移に関連した遷移周波数は、多数倍、例えば、2倍、三倍あるいはそれ以上
となってよい。

【００３０】 これは、オーバートーン遷移に同調させた光学空洞の利用、例えば、励起状態
の反応生成物の２、３あるいはそれ以上の振動遷移をスパンし、表面の反応ゾー
ンを光学的に囲むことにより達成できる。励起状態の生成物は、一般に水分子、
一酸化炭素、または二酸化炭素種である。

【００３１】 これを達成する別の方法は、異なる周波数の逐次的なレーザ刺激パルスを用い
て、反転生成物種の遷移を制御し連続させることである。放射線は、反転した媒
体を通過するごとに増幅される。このような入力放射線の連続は、反転生成物の
多重レベル振動エネルギーレベルの選択された反転レベルを逐次的にデポピュレ
ートする。

【００３２】 レーザ空洞を作る現在の技術の状態は、反応体およびチャンバーを光学的共振
領域内に設けるのに有利な形状を可能にするものである。これを行うための一つ
の方法は、ホトニックバンドギャップ円筒空洞からレーザ空洞を形成することで
あり、その場合、空洞は、光を、シリカ‐空気のホトニッククリスタルファイバ
の中空コア（大きな空気の穴）内に閉じ込めることにより形成される。

【００３３】 本発明の一実施形態では、オーバートーン遷移を利用して、高レベルの遷移と
低レベルの遷移の間の周波数またはエネルギーの差を拡大し、それにより、本発
明が、このような遷移を選択し、それらの刺激および放出を連続させることを可
能にする。すなわち、刺激放出は、まず、最高レベル間、次いで、中レベル間、
次いで、順次、より低いレベル間で刺激してよい。化学反応生成物の多重レベル
遷移に関連した電位井戸の非調和性は、高レベル遷移のエネルギーレベル間隔を
、エネルギーレベルが電位井戸の頂部に近づくにつれて、低レベル遷移に比べよ
り密にし、したがって、所望の遷移の区別と選択が可能となる。

【００３４】 一実施形態では、触媒表面に見出される強電界の利用により、対称性を破り、
分子の分極化を誘起し、吸着され振動的に励起された生成物の多重オーバートー
ン遷移などの、さもなければ禁止される分子遷移に、強い双極子繊維マトリック
ス要素を呈示させる。これは、今度は、多重量子遷移を可能にし、これら遷移を
、刺激放出のアクティブな候補にする。

【００３５】 本発明はまた、反応種を表面に挿入して、反応体の赤外線吸収により、所望の
放出物のできるだけ少ない部分を吸収し、システムの効率を正味で増大させる方
法も提供している。

【００３６】 一実施形態では、広帯域長波長赤外線吸収に関して既知の燃料種を、多孔性の
基体から、管内から、および（または）レーザ周波数で赤外線放射を反映するチ
ャンネルから挿入してよく、その場合、該管は、マイクロメータあるいはナノメ
ータの穴をそれらに穴明けして、流体の流れを可能にしてよく、また、その場合
、該管もしくはチャンネルは、それらの表面に触媒クラスタまたは層を設置して
よい。このようなシステムの一つは、ウィッキング燃料送出システムである。こ
のシステムは、燃料で濡れた金属ウールまたは繊維などの濡れた材料あるいは燃
料のチャンネルでよい燃料ベッド、および表面が触媒または触媒クラスタを含む
多孔性基体を含むことになろう。多孔性基体は、ウィッキングシステムと接触す
る。該基体は、ゼオライト、エーロゲル、またはレーザによる穴明けなどで明け
得る穴を有するエーロゲルまたは他の適当な基体であってよい。

【００３７】 一実施形態では、オーバートーン放射の利用により、空洞の主要な周波数を範
囲の外に、かつ、激しい赤外線吸収と関連したスペクトル領域の相当上に設置し
てよい。

【００３８】 本発明の目的はまた、励起状態で吸着された分子種に、生成物種の振動寿命を
延ばさせて、エネルギー抽出工程での振動エネルギーの格子への放散を最小限に
することである。

【００３９】 一実施形態では、触媒クラスタが存在する基体は、非導体でよく、この場合、
非導体を利用すると、ある種の振動種の寿命が、導電性の基体上の同じ種の寿命
に比べて、何オーダか増大することが分かっている。

【００４０】 一実施形態では、基体は、基体の振動周波数と触媒のそれらとが整合しないよ
う選択してよい。これは、超格子の振動を基体の振動から分離し、減結合するこ
とになる。これは、その表面における励起状態の生成物の寿命を増大させる。こ
の種の材料は、例えば、相対ホノン周波数が非常に高い化学蒸着ダイヤモンドを
含んでいてよく、また、例えば、ホノン周波数が非常に低い鉛を含んでいてよい
。

【００４１】 本発明の目的はまた、反応なだれを引き起こすことであり、これは、今度は、
コヒーレント放射の高ピークパワーパルスを引き起こすのに使用してよい。本発
明の一実施形態では、ペルオキソ酸先駆体吸着酸素分子などの種を刺激して、固
体順方向バイアスダイオードにより生成されたホットエレクトロンを用いた電気
指令で解離させる。このようなダイオードでは、触媒は、金属電極および金属半
導体のダイオード素子、ショットキーダイオードである。金属要素が、そのダイ
オードにおける電子のエネルギー平均自由行程の数倍以下の厚さを有する場合は
、順方向バイアスにより金属に注入されたそれら電子は、順方向バイアスとショ
ットキーバリヤーの高さの合計と少なくとも同じオーダーのエネルギーを有する
ホットエレクトロンとして形成される。

【００４２】 これら中間的なペルオキソ酸種は、オーダー0.3 電子ボルトの解離に対する活
性化バリヤーを有している。このようなトラッピング仲介吸着物質の代表的な解
離吸着活性化バリヤーは、オーダー0.1〜0.6電子ボルトのものである。金属白金
、パラジウム、タングステン、銅、銀および金とシリコンなどの半導体との間に
形成されたダイオードの代表的なショットキーバリヤーは、一般に、オーダー0.
5ボルトのものである。0.5ボルトの順方向バイアスは、触媒とその吸着物質の表
面を1 eVのホットエレクトロンでフラッディングするであろう。

【００４３】 本発明の一実施形態では、刺激電子エネルギーを限定することにより、吸着物
質の先駆体状態の解離への遷移を誘発するばかりか、誘発をバイアスして、遷移
が脱着に向けて後戻りしないようにもする。吸着物質が、後戻りする場合は、刺
激電子エネルギーを限定することにより、所望の方向に行く部分を増大させる。
刺激エネルギーの適切な値は、解離バリヤーのエネルギーより小さな値である。
エネルギーの良好な選択範囲も、解離の直前の状態へのバリヤーのエネルギーの
上に在る。例えば、白金上のペルオキソ酸状態の酸素の場合、バリヤーは、オー
ダー0.2 eVの差を有する。本発明により作り出される理想的なホットエレクトロ
ンは、この差より小さなエネルギースプレッド、例えば、0.2 eVを有するであろ
うし、また、吸着状態の場合の反応性の範囲、例えば、オーダー0.1〜1 eV以内
に絶対値を有するであろう。

【００４４】 解離行程に好都合な放射線の吸収をバイアスするための別の方法は、ペルオキ
ソ酸化学吸着種などの種の振動レベルを高めることである。これを行うため、本
発明は、最適な空洞を使用して、その放射を高めてよい。例えば、白金上のペル
オキソ酸化学吸着酸素は、センチメーター当たり690の（赤外線光学）共振を有
している。例えば電気放電によってあるいはダイオードレーザによって作り出さ
れるこのような放射線の光学的源は、この共振を選択的に刺激するであろう。

【００４５】 また別の方法としては、このような放射線を、周波数および時間の両方で連続
可能なやり方で供給してもよい。チャープトレーザは、これを行うための一つの
方法である。本発明の方法及び装置によって作り出される放射線のいくつかは、
この所望の放射線となるよう作り変えてよい。

【００４６】 本発明によれば、燃料分子または遊離基などの触媒表面上の他の種は、ホット
エレクトロン吸収体として用いてよい。その場合、それらは、遊離基それ自体に
解離するかあるいはエネルギーをペルオキソ酸およびスーパーオキソ酸化学吸着
酸素先駆体に渡して、反応なだれを刺激するであろう。

【００４７】 一実施形態では、反応開始のタイミングに対する制御を望む場合、触媒を選ん
で、荷電先駆体に、解離に対してより高い活性化バリヤー、すなわち、一般に触
媒の活性を下げる状態を持たせてもよい。

【００４８】 一実施形態では、ホットアトムを用いる本発明のパワー変換装置が、下記のも
のを含んでいる。

【００４９】 触媒それ自体、シリカ、アルミナ、チタニア、半導体、または白金ナノクラス
タなどの触媒が設けてある便利な材料などの基体（複数も可）； 液体燃料を供給された多孔性基体など、触媒表面に燃料をフラッディングさせ
る手段； 空気入力および反応生成物の排気が、触媒表面に亘って流れることを可能にす
るチャンネルなど、酸化剤としての空気をチャンバーに入れる機構； 液体エタノール、メタノール、高級アルコール、あるいは水素および一酸化炭
素を含む混合物など炭化水素改質炉の生成物などの炭化水素反応体燃料； 触媒表面の反応領域を囲む多色共振光学空洞；および 該光学空洞を用いて反応生成物の反転母集団からコヒーレントな放射線を抽出
するレーザシステム。

【００５０】 一実施形態によれば、ホットアトムは、それらの最高の振動状態で生み出され
た関連反応体を生成し、したがって、そのような単一原子状種を外部的に供給す
る必要はない。

【００５１】 ある反応体‐酸化剤‐触媒の場合は、ヒドロキシル基などの反応体が、直ちに
脱着し、それにより、それらは、触媒金属上での寿命（１乃至数ピコ秒）に比べ
て、長寿命の状態（他の気体分子との衝突間で約200ピコ秒、10〜100衝突の寿命
）になる。この場合のレーザシステムは、遷移を刺激して、振動エネルギーを除
去する。ヒドロキシルは、エネルギーを共振的に交換する多くの他のヒドロキシ
ルを見出さず、従って、分子振動励起の共振衝突交換による急激な熱平衡化は起
こらない。

【００５２】 他の場合には、生成物（一般に振動的に励起されたOHまたはCO）は、触媒表面
に留まっていてよく、この場合には、振動の寿命は、ピコ秒のオーダーであろう
。この場合には、触媒表面の電界は、多重量子遷移をより強力に双極子アクティ
ブな状態にし、したがって、レーザシステムは、例えば、励起状態のOHまたはCO
の第二、第三または第四オーバートーンに対する遷移を誘起できる。ターンオー
バ数が、オーダー10,000/部位/秒（良好な触媒がそれらの所望の動作条件で動作
する場合の代表値）の場合は、センチメータ当り100層の反応チャンバーで、反
転母集団の立方センチメータ当り100ワットが生じることになろう。これは、さ
もなければ難しすぎる条件下での刺激放出を可能にす_る。

【００５３】 図１は、これら思想のいくつかを実行する装置の横断面を図式的に示す。図１
では、基体１０１上に、触媒１０２が付いており、気流チャンネル１０３が、触
媒１０２上に、空気１０４を案内する。触媒基体１０１は、多孔性であり、燃料
１０５の、基体１０１の燃料側からの流入を可能にし、該液体または気体燃料は
、燃料チャンネル１０６により、基体１０１に案内される。レーザミラー１０７
およびレーザ出力ミラー１０８、レーザ制御システム１０９、およびより大きな
光学空洞１１０により形成された多色共振空洞が、触媒表面反応の領域１１０を
囲んでおり、コヒーレントな光１１１の形でエネルギーを抽出する。排気１１２
は、システムを離れ、出口チャンネル１１３を通って流出する。構造材料１１４
がこれらの要素を支持し、燃料、空気および排気のチャンネルを形成する。

【００５４】 別の実施形態では、本発明は、伸長分子の結合脱着または触媒の表面から脱着
する励起状態の生成物を用いる。この実施形態では、パワー変換装置は、下記の
ものを含んでいてよい。

【００５５】 触媒それ自体、シリカ、アルミナ、チタニア、半導体、または適切に選択され
た触媒が設けてある適切に選択された材料などの基体（複数も可）； 反応体の入力および反応生成物の排気が、触媒表面に亘って流れることを可能
にするチャンネルなど、燃料および空気（酸化剤）をチャンバーに入れる機構； 炭化水素反応体燃料としての液体エタノール、メタノール、高級アルコール、
あるいは水素および一酸化炭素を含む混合物など炭化水素改質炉の生成物； 触媒表面の反応領域を囲む多色共振光学空洞；および 該光学空洞を用いて反応生成物の反転母集団からコヒーレントな放射線を抽出
するレーザシステム。

【００５６】 この実施形態によれば、反応体および触媒の組合せ体（反転生成物の生成に有
利なように選んである）を、触媒表面を含む反応チャンバーに流入させ、そこで
、光学的に取り囲む共振空洞およびその関連レーザシステムにより、生成物反応
エネルギーの相当な部分を放射線として抽出する。生成物は、次いで、排気され
、光学的に囲まれたシステムから除去され、それにより、基底状態の種が除去さ
れ、母集団の反転が維持される。

【００５７】 これを達成する一つの方法は、触媒表面に近くの領域のみを囲む光学空洞を有
し、すなわち、表面レーザを用いて、表面領域から気流が流出するのを可能にし
ている。ディスクレーザおよび単一モードホトニックバンドギャップシステムな
ど、表面レーザの現在の技術の状態は、このような円筒対称の空気穴システムを
可能にするものである。

【００５８】 また、技術文献で触媒が「圧力ギャップ」と呼ばれている状態を示す方法によ
り、触媒を選んでよい。ルテニウム上のCOの酸化の場合と同様、酸素に富んだ吸
着は、吸着の酸素熱を下げ、所望の酸化を可能にし、かつ、Ruを最も活性の高い
触媒にし、一方、超高真空状態下で行われる特性試験は、Ruが、最も触媒作用が
低いものの一つであることを示す。

【００５９】 この実施形態では、所望の触媒の特性を作ることができる。金など、さもなけ
れば触媒作用的には不活性の金属が、下にある金属層の数を、例えば、１および
２単一層まで減らすにつれて、反応性の、そして比較的良好な触媒となることが
観察された。

【００６０】 単一層数が６またはそれ以上では、酸素の解離に対する金の親和性は、無視で
きることが観察された。単一層数が３または２まで減るにつれて、親和性は、酸
素を解離するのに十分となるが、酸素を金金属にさらに強く結合するのには不十
分であり、２単一層の触媒が効率的になる。１単一層では、金基体触媒の酸素に
対する親和性は、非常に強くなり、酸素は反応に利用できなくなる。

【００６１】 本発明の触媒を選ぶ一つの方法では、伸長分子に好都合な触媒を作り選択する
方法が、下記の作業を含んでいる。

【００６２】 金属のセット全体から触媒候補のリストを作成すること； 反応生成物の出口チャンネルで、伸長結合を有する生成物を形成されるような
触媒原子の原子間間隔を有する触媒金属を選ぶこと； オキサイド基体上でナノメータ寸法のクラスタに原子単一層を含む触媒クラス
タを形成すること； 酸素および燃料の両方についての親和性を制御するための単一層数を選ぶこと
。

【００６３】 例えば、一酸化炭素に有利なよう、チタニア上に設置された２単一層厚さの金
の触媒を選択する。

【００６４】 図２は、これら思想のいくつかを実行する装置の横断面を示す。図２の装置で
は、基体２０１が、支持体２０２上に置かれ、基体２０１上に、触媒２０３が付
き、燃料２０４および空気２０５が、入力チャンネル２０６から入って反応し、
励起状態の生成物が形成され、反応チャンネル２０７で放射し、排気２０８が、
排気チャンネル２０９を通って出て行く。レーザミラー２１０およびレーザ出力
ミラー２１１、レーザ制御システム２１２、およびより大きな光学空洞および反
応ゾーン２０７により形成された多色共振空洞が、触媒表面反応の領域を囲んで
おり、コヒーレントな光２１３の形でエネルギーを抽出する。

【００６５】 別の実施例では、反応なだれの刺激およびタイミングに有利な本発明は、次の
ものを含んでいてよい。

【００６６】 前の実施形態で使用されたものと似たチャンバー； ショットキーダイオードを形成する半導体基体および触媒（触媒の厚さは、金
属における電子のエネルギー平均自由行程の数倍以下あるいはそれにほぼ等しい
）； ダイオードにパルス化順方向バイアスを掛ける機構。

【００６７】 一実施形態では、レーザなどの短パルス光源を用いて、ホットエレクトロンを
供給し、捕捉された吸着物質にエネルギーを与えてもよい。例えば、このような
光源は、白金触媒上の、化学吸着されたペルオキソ酸様の二倍に荷電された酸素
分子種の、約0.29 eVのバリヤーを越える遷移を加速し、そこで該分子種は、解
離するように優先的に移動する。これは、逆反応、すなわち、スーパーオキソ酸
様の単一荷電分子酸素の生成は、より高い活性化バリヤーエネルギーを有し、物
理吸着種は、さらに高い活性化バリヤーを有しているため、解離に有利である。
レーザは、最速かつ最短のパルスを供給してよい。別法として、ホットエレクト
ロンインジェクタダイオードを使用してよい。

【００６８】 一実施形態によれば、ダイオードを0.5〜１ボルトで短時間、例えば、１ピコ
秒の何分のいくつかの時間、パルスすると、二倍に荷電された分子酸素の大きな
部分のエネルギーが、解離に必要なレベルまで上昇する。

【００６９】 熱絶縁基体における金属をこのように瞬時的に加熱して生成されるホットエレ
クトロンは、再生 帰還モードで使用して、ペルオキソ酸様の種をさらに刺激し
てよい。この方法では、システムのエネルギー出力に比べて非常に少量の初期ス
ティミュレータエネルギーが必要かもしれない。

【００７０】 図３は、これら思想のいくつかを実行する装置の横断面を示す。図３は、触媒
表面における反応が、刺激されて、パルス状に起こり、次いで、短時間の放射エ
ネルギーに集中される様を示す。燃料３０１および空気３０２の混合物が入力チ
ャンネル３０３を通って入り、触媒表面３０４に接触して、物理吸着され、化学
吸着され、あるいは吸着される。触媒３０４および半導体基体３０５は、ショッ
トキーダイオードを形成している。触媒３０４の厚さは、オーダー１〜５ナノメ
ータであり、これは、白金、パラジウム、タングステン、ロジウム、ルテニウム
、銅、銀あるいは金などの好適な触媒内の電子の平均自由行程より薄い厚さであ
る。

【００７１】 触媒電極３０６に短い正の電気パルス、かつ、半導体のオーミック接点３０７
に短い負の電気パルスを加えると、順方向バイアスとなり、触媒‐半導体素子で
形成されたダイオードに順方向電流が流れる。この順方向電流の電子は、順方向
バイアス電圧にほぼ等しく、かつ、それ以上の過剰のエネルギーを有しており、
触媒表面はこれらでフラッディングされて、化学反応なだれが開始される。ホッ
トエレクトロンにより、先駆体状態で捕捉されている吸着、化学吸着分子種は、
それらの活性化バリヤーを越え、触媒表面に原子種として吸着される。

【００７２】 反応体は、電気トリガパルスにより、一度にそして一斉に反応して、生成物の
濃度を数オーダー上げ、例えば、励起状態の種が、反応チャンネル３０８で放射
することになる。排気３０９は、排気チャンネル３１０を通って離れる。

【００７３】 レーザミラー３１１およびレーザ出力ミラー３１２、レーザ制御システム３１
３、およびより大きな光学空洞および反応ゾーン３０８により形成されたレーザ
が、触媒表面反応の領域を囲んでおり、コヒーレントな光３１４の形でエネルギ
ーを抽出する。

【００７４】 本発明は、その好適な実施形態に関して詳細に図解し、かつ、説明したが、こ
の技術に長けた人なら、形態および細部における上記内容および他の変更は、本
発明の主旨および範囲を逸脱することなく、この技術の中で行うことができるこ
とが理解されよう。例えば、この技術に長けた人なら、本発明の特徴は、図解し
た他の特徴あるいは上記の説明の対応する利用無しに、利用できる場合があるこ
とが理解されよう。同様に、いくつかの特徴を、本発明の範囲および等価物内で
、組み合わせて、所望の結果が得られる場合がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態における分離された反応体を用いて、エネルギーを生成す
るための装置の図式的な横断面を示す。

【図２】 自由に流れる混合反応体を用いて、エネルギーを生成し、反転励起状態の生成
物を形成するための本発明の一実施形態における装置の横断面を示す。

【図３】 外部的に刺激しかつ誘発する反応によってエネルギーを生成する本発明の一実
施形態における装置の横断面を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ギドワニ，ジャワハー，エム アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94133、サンフランシスコ、リーベンワー ス 2335 Ｆターム(参考） 5F072 JJ02 RR01

Claims (50)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 触媒表面上に、エネルギー性の遊離基の源として、ホットア
   トムを生成する方法において、 先駆体仲介の捕捉により、触媒上に分子を吸着する工程と、 該触媒の表面を一つまたはそれ以上の反応体でフラッディングする工程と、 を含むことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 該吸着工程は、 酸素分子を吸着する工程と、 白金および銀のうちのいずれか一つの上に該酸素分子を捕捉する工程と、 を含むこととする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 該方法は、さらに、 該触媒を冷却して、該触媒表面上に凝縮および濃縮を誘起する工程と、 を含むこととする請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 該フラッディング工程は、 該触媒表面を燃料でフラッディングして、解離化学吸着工程をホットアトム酸
   素の遊離基の生成にバイアスする工程を含み、該ホットアトムの衝突相手は、該
   燃料であることとする請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 該方法は、さらに、 酸化剤化学吸着、解離、および物理吸着エネルギーが、利用できる化学結合エ
   ネルギーの一部であるような触媒を選択する工程と、 を含み、 該フラッディングは、該触媒表面を酸化剤の遊離基でフラッディングして、解
   離化学吸着工程をホットアトム酸素の遊離基の生成にバイアスする工程を含み、
   該ホットアトムの衝突相手は、該燃料種であることとする請求項１に記載の方法
   。
6. 【請求項６】 該ホットアトム含有分子は、燃料であることとする請求項１
   に記載の方法。
7. 【請求項７】 さらに、 該触媒を、白金、パラジウム、イリジウム、レニウム、ロジウムのうちのいず
   れか一つまたは組合せとして選択する工程と、 を含むこととする請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】 さらに、 該反応体種を、メタノール、エタノール、および炭化水素改質炉の生成物のう
   ちのいずれか一つまたは組合せとして選択する工程と、 を含むこととする請求項６に記載の方法。
9. 【請求項９】 酸化剤の化学反応を刺激する方法において、 触媒表面上に荷電化学吸着先駆体の蓄積を有利にする触媒を用いた触媒表面を
   形成する工程であって、該先駆体は、それ自体の先駆体状態に戻るための活性化
   バリヤーよりも少なく解離性の吸着に対する活性化バリヤーを有している工程と
   、 該荷電化学吸着先駆体に、解離バリヤーを越えるのに十分なエネルギーを獲得
   させる工程と、 を含むことを特徴とする方法。
10. 【請求項１０】 該先駆体は、ペルオキソ酸様の二倍に荷電された酸素先駆
    体を含むこととする請求項９に記載の方法。
11. 【請求項１１】 該先駆体は、単一に荷電されたスーパーオキソ酸および物
    理吸着状態のうちのいずれか一つを含むこととする請求項９に記載の方法。
12. 【請求項１２】 該触媒は、白金、パラジウム、イリジウム、レニウム、お
    よびロジウムのうちのいずれか一つまたは組合せを含むこととする請求項９に記
    載の方法。
13. 【請求項１３】 さらに、 予め決定されたホトンエネルギーを有するレーザにより、該荷電先駆体のエネ
    ルギー井戸において、遷移を誘起する工程と、 を含むこととする請求項９に記載の方法。
14. 【請求項１４】 さらに、 電気的に駆動される光源を用いて、該荷電先駆体に十分なエネルギーを獲得さ
    せ、赤外線光学放射線を含む光学放射線を放出する工程と、 を含むこととする請求項９に記載の方法。
15. 【請求項１５】 該光源は、光学放射線を生ずる気体放電を含むこととする
    請求項１４に記載の方法。
16. 【請求項１６】 さらに、 該触媒表面のナノメータ近傍内で、電界放出電極により供給される電界を用い
    て、先駆体の分離を刺激する工程と、 を含むこととする請求項９に記載の方法。
17. 【請求項１７】 さらに、 触媒層を形成する工程と、 該触媒層と接触するダイオードを含む基体を形成する工程であって、 該触媒層の厚さは、該触媒層から該基体までの距離が、フェルミレベルに近い
    電子のエネルギー自由行程の3倍より少ない工程と、 電気エネルギーのパルスを加えて、該ダイオードに順方向バイアスを掛ける工
    程と、 を含むこととする請求項９に記載の方法。
18. 【請求項１８】 該基体は、該触媒の熱伝導率より少なくとも１０倍より低
    い熱伝導率を有していることとする請求項１７に記載の方法。
19. 【請求項１９】 該基体は、ダイオード接合部のバリヤー高さを制御するた
    めの薄いオキサイドの層を含むこととする請求項１８に記載の方法。
20. 【請求項２０】 該オキサイド層は、100ナノメータまたはそれ以下の厚さ
    を有することとする請求項１９に記載の方法。
21. 【請求項２１】 さらに、 パルス化光源、パルス化レーザ、およびパルス化電界のうちのいずれか一つに
    より該荷電先駆体を刺激する工程と、 を含むこととする請求項９に記載の方法。
22. 【請求項２２】 該刺激は、20ナノ秒より少ない持続時間の間行われること
    とする請求項２１に記載の方法。
23. 【請求項２３】 該刺激の間の動作温度は、300ケルビン以下であることと
    する請求項２２に記載の方法。
24. 【請求項２４】 さらに、 該基体から熱を除去する工程と、 を含むこととする請求項１５に記載の方法。
25. 【請求項２５】 さらに、 反応チャンネルにおいて、燃料および空気のうちのいずれか一つまたは組合せ
    を加えて、該基体から熱を除去する工程と、 を含むこととする請求項１５に記載の方法。
26. 【請求項２６】 該電気エネルギーのパルスは、該ダイオードの電極表面に
    ホットエレクトロンを放出するのに十分なパルス化順方向バイアスを含むことと
    する請求項１５に記載の方法。
27. 【請求項２７】 該パルス化順方向バイアスは、0.1電子ボルト（eV）より
    大きいこととする請求項２６に記載の方法。
28. 【請求項２８】 予め決定されたエネルギーを有する一つまたはそれ以上の
    ホットエレクトロンを用いて、該荷電先駆体にエネルギーを獲得させることとす
    る請求項９に記載の方法。
29. 【請求項２９】 該予め決定されたエネルギーは、1 eVより少ないこととす
    る請求項２８に記載の方法。
30. 【請求項３０】 該ダイオードの一つの電極は、該触媒と同じ材料を用いて
    作成されていることとする請求項１５に記載の方法。
31. 【請求項３１】 該パルスの持続時間は、該触媒表面上で生ずる反応の持続
    時間より短いこととする請求項１５に記載の方法。
32. 【請求項３２】 該パルスの該持続時間は、0.1ピコ秒であることとする請
    求項３１に記載の方法。
33. 【請求項３３】 ホットアトムを生成する装置において、 多孔性基体と、 該基体に設置されて、反応が、触媒の表面上で生ずることを可能にする触媒と
    、 該触媒の表面を囲み、触媒表面反応の領域内に光学空洞を形成するレーザシス
    テムと、 を含むことを特徴とする装置。
34. 【請求項３４】 該触媒は、白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、パ
    ラジウム、タングステンおよび遷移金属のうちのいずれか一つまたは組合せを含
    むこととする請求項３３に記載の装置。
35. 【請求項３５】 該触媒は、オキサイドの基体の上に単一層のナノクラスタ
    を含むこととする請求項３３に記載の装置。
36. 【請求項３６】 該単一層ナノクラスタは、チタニア上の金、およびオキサ
    イド上の金属のうちのいずれか一つを含むこととする請求項３５に記載の装置。
37. 【請求項３７】 該触媒は、チタンオキサイド上の金の触媒アイランドを含
    むこととする請求項３３に記載の装置。
38. 【請求項３８】 該多孔性基体は、ゼオライトおよびエーロゲルのうちのい
    ずれか一つを含むこととする請求項３３に記載の装置。
39. 【請求項３９】 該多孔性基体は、誘電性の反射器を含むこととする請求項
    ３３に記載の装置。
40. 【請求項４０】 触媒の一つまたはそれ以上のナノアイランドが、該レーザ
    放射線の透過深さより少ない等価厚さで蒸着されていることとする請求項３９に
    記載の装置。
41. 【請求項４１】 触媒の該一つまたはそれ以上のナノアイランドのアイラン
    ド間間隔が、少なくとも数アトミックディメンションであることとする請求項４
    ０に記載の装置。
42. 【請求項４２】 触媒のアイランド寸法が、オーバートーン放射線の少なく
    とも１/４波長以下であることとする請求項４１に記載の装置。
43. 【請求項４３】 該多孔性基体は、燃料吸着に有利な非導電性基体を含み、
    かつ、該触媒は、酸素の吸着に有利な一つまたはそれ以上のナノメータ寸法の触
    媒を含み、 該触媒上で生ずる反応の生成物が、該生成物が移動し、かつ、拡散する時、非
    導体上に存在する こととする請求項３３に記載の装置。
44. 【請求項４４】 該非伝導性基体は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸
    化チタン、およびイオン性塩のうちのいずれか一つを含むこととする請求項４３
    に記載の装置。
45. 【請求項４５】 該基体は、非伝導性のイオン性塩であることとする請求項
    ３３に記載の装置。
46. 【請求項４６】 該光学空洞は、さらに、2色性の共振器を含むこととする
    請求項３３に記載の装置。
47. 【請求項４７】 該装置は、さらに、 該触媒表面を囲む第一の壁を含み、該第一の壁は、該触媒表面と該第一の壁の
    間に第一のチャンネルを形成し、触媒表面反応の領域は、該第一のチャンネルに
    露出しており、 該第一のチャンネルを通って、反応体が、該領域に入ることとする請求項３３
    に記載の装置。
48. 【請求項４８】 該反応からの排気が、該第一のチャンネルを通って、該領
    域を離れることとする請求項３３に記載の装置。
49. 【請求項４９】 該装置は、さらに、 該触媒表面と反対側に在る該多孔性基体の底側を囲む第二の壁を含み、該第二
    の壁および該底側は、該第一の壁と該底側との間に第二のチャンネルを形成し、 反応体が、該第二の壁および該多孔性基体を通って、該領域に入ることができ
    るようになっていることとする請求項３３に記載の装置。
50. 【請求項５０】 該レーザシステムは、 該基体の一端に隣接して配設された第一のレーザミラーと、 該基体の反対端に隣接して配設された第二のレーザミラーであって、該第一お
    よび該第二のレーザミラーは、触媒表面反応の領域内に光学空洞を形成する第二
    のレーザミラーと、 該第一のレーザミラーを囲むレーザ制御器と、 を含むこととする請求項３３に記載の装置。