JP2023532166A

JP2023532166A - 燃焼の安定化およびプラズマ支援燃焼のためのナノセラミックプラズマ触媒

Info

Publication number: JP2023532166A
Application number: JP2022555634A
Authority: JP
Inventors: ナゴルヌーイ、アレクサンデル; ブラソブ、アレクサンドル; ティーク、クリスチャン; アレクサンダーウールジー、ピーター
Original assignee: エフェンコオーウー
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2023-07-27
Also published as: CN115335144A; US20230076755A1; IL296462A; WO2021190734A1; CA3174027A1; EP4126344A1; KR20220152325A

Abstract

プラズマ支援燃焼に適用するためのセラミック－マトリックスナノコンポジットの形態の新しいプラズマ触媒が開示されている。ナノセラミックプラズマ触媒の新しい機能は、プラズマと固体の相乗効果によって駆動される。プラズマ触媒は、バルブ金属酸化物、極性遷移金属酸化物、希土類酸化物およびリン化物、アルカリ金属酸化物、酸化ケイ素および窒化ケイ素などの組み合わせに基づいている。不均一触媒効果とプラズマ触媒効果を組み合わせる利点は、大面積用途に有用であり、大規模産業に拡張可能である。

Description

本発明は、いわゆるセラミック－マトリックスナノコンポジットの形態の新しいプラズマ触媒構成と、三元以上の複合体を含む、バルブ金属酸化物、極性遷移金属酸化物、希土類酸化物およびリン化物、アルカリ金属酸化物、酸化ケイ素、炭化ケイ素および窒化ケイ素の新しい組み合わせと、を含む、プラズマ支援燃焼を刺激および持続するためのプラズマ触媒に関する。

物質の合成および改質、廃棄物処理などのための低温部分イオン化プラズマ（以下、ＬＴＰ）の触媒特性は十分に確立されており、すでに産業を可能にする技術を提供している。典型的には、ＬＴＰまたはいわゆる非熱プラズマでは、イオン対量１０^９～１０^１３ｃｍ^－３、電子温度≦１０^５Ｋである。ＬＴＰは非平衡プラズマであり、電子温度はイオンおよび中性粒子温度よりもはるかに高い。

放電、レーザー照射、超高周波－超高周波放射、相対論的電子ビームまたは放射イオン化技術に基づく従来のＬＴＰ生成設備が、ＬＴＰを形成するために使用される。

従来技術の欠点は、主に、プラズマ生成設備が、エネルギー形成プラズマの導入のための複雑なフィードスルーおよび外部高出力源を有する電気機械および／または光電気機械デバイスであり、自己給電式ではない、換言すれば、それらは、例えば、紫外線－可視－赤外線（以下、ＵＶ－ＶＩＳ－ＩＲ）照射帯域の形態の燃焼の熱エネルギーを収集することができず、電気焦電性を生成し、内部電界増強放出および電子散乱を介して、プラズマ形成媒体としての真空紫外線－軟Ｘ線（以下、ＶＵＶ－軟Ｘ線）電離放射線帯域に変換することができないという事実に起因する。

従来技術の欠点は、様々な容量およびサイズの反応器のためのプラズマ生成設備をスケーリングすることが困難であることである。

欠点は、プラズマの触媒特性のみが使用され、プラズマから得ることができる相乗効果およびプラズマを形成するためにエネルギーを伝達および／または分離する表面の触媒特性は使用されないため、限られた機能性に関連する。

先行技術の代表的なサンプルは、以下の文献から知られている。米国特許第７５９２５６４号明細書－複数の放射線源を用いたプラズマ生成および処理、米国特許第７６０８７９８号明細書－プラズマ触媒、米国特許出願公開第２０１９３２１７９９号明細書－メタンからの水素の接触非熱プラズマ生成のための誘電体バリア放電反応器、韓国特許第２０１９００９２９３９号公報－同じ反応器のための光触媒で被覆されたアンモニア充填材料の除去および同じ充填材料の調製のためのプラズマ－光触媒反応器、中国特許第１０９９９９８１７号明細書－Ｃｕ／ＺｎＯ－ＺｒＯ２固溶体触媒およびグロー放電プラズマ支援調製方法およびその適用、韓国特許第２０１８０１１６９５２号公報－プラズマおよび触媒型乾式改質装置および方法、国際公開第２００９１１６８６８号パンフレット－合成ガスの製造のための前記化合物のマイクロ波支援プラズマ分解におけるアルカリ金属またはアルカリ土類金属含有有機材料および複合材料の使用方法、中国特許第１０８８９５４８２号明細書－放電プラズマによって支援された燃焼火炎安定器。

欧州特許出願公開第３２８０２３０号明細書（ＥｆｅｎｃｏＯＵ、２０１８年２月７日公開）は、燃焼の安定化および毒性生成物の中和のために熱担体中にプラズマを生成するための方法およびそのための装置に関する。前記発明は、燃焼生成物、すなわち熱担体を形成する高温燃焼ガスの選択的イオン化のための微細に構成可能なツールとして使用される、適切なパラメータおよび十分に強力な適切なスペクトル組成を有するいわゆるシンクロトロン放射ビームを生成することを目的とする。

米国特許第７５９２５６４号明細書米国特許第７６０８７９８号明細書米国特許出願公開第２０１９３２１７９９号明細書韓国特許第２０１９００９２９３９号公報中国特許第１０９９９９８１７号明細書韓国特許第２０１８０１１６９５２号公報国際公開第２００９１１６８６８号パンフレット中国特許第１０８８９５４８２号明細書欧州特許出願公開第３２８０２３０号明細書

本発明の目的は、プラズマと固体触媒との相乗的な組み合わせであり、追加の補強因子として互いの電気物理的相互作用であり、燃焼室壁のライニングのためのナノコンポジットの形態で具体化され、プラズマ支援燃焼を開始および維持することを意図したプラズマ触媒を作製することである。

本発明の文脈において、本明細書および特許請求の範囲で参照される周期表の対応するＩＵＰＡＣ族におけるＩＵＰＡＣ族および化学元素は、１９９０年にＩＵＰＡＣによって採用された族の現代の標準名称を指す。２０１８年１２月１日のＩＵＰＡＣ周期表の最新版。

バルブ金属は、バルブ作用特性を示す周期表の内部遷移金属のいくつかの族であり、これらの金属は、陰極として作用するときには電流を通過させるが、陽極として作用するときには絶縁陽極膜の急速な構築により電流の通過を妨げると定義することができる。この特性から、これらはバルブ金属と呼ばれる。それらには以下が含まれる。
ＩＵＰＡＣ第４族：第４族の一部は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびハフニウム（Ｈｆ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第５族：第５族の一部は、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）およびタンタル（Ｔａ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第６族：第６族の一部は、タングステン（Ｗ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第１３族：第１３族の一部は、アルミニウム（Ａｌ）を含む周期表の化学元素の族（列）である。

本発明の文脈において、ＩＵＰＡＣ族および周期表の対応するＩＵＰＡＣ族中の元素が使用される。
ＩＵＰＡＣ第１族：第１族（アルカリ金属）の一部は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、およびフランシウム（Ｆｒ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第２族：第２族（アルカリ土類金属）の一部は、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）およびバリウム（Ｂａ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第３族：第３族の一部は、ランタノイドを含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第４族：第４族の一部は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびハフニウム（Ｈｆ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第５族：第５族の一部は、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）およびタンタル（Ｔａ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第６族：第６族の一部は、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびタングステン（Ｗ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第８族：第８族の一部は、鉄（Ｆｅ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第１０族：第１０族の一部は、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第１１族：第１１族の一部は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、および金（Ａｕ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第１２族：第１２族の一部は、亜鉛（Ｚｎ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第１３族：第１３族の一部は、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、およびインジウム（Ｉｎ）を含む周期表の化学元素の族（列）である。
ＩＵＰＡＣ第１４族：第１４族の一部は、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、および鉛（Ｐｂ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第１５族：第１５族の一部は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、およびビスマス（Ｂｉ）を含む周期表の化学元素の族（列）であり、
ＩＵＰＡＣ第１６族：第１６族の一部は、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、およびセレン（Ｓｅ）を含む周期表の化学元素の族（列）である。

本発明によるセラミック－マトリックスナノコンポジットの形態のプラズマ触媒（以下、プラズマ触媒）は、いくつかの物理的効果を統合し、主なものは、ナノスケール強誘電体における焦電効果、ショットキー効果、電界増強放出および膜への電子散乱、自由電子および光子のビームによるイオン化、関連するプロセス間の正フィードバックの自然発生、ならびに使用される物質の触媒活性である。

本発明によるプラズマ触媒は、プラズマ形成媒体としての真空紫外－軟Ｘ線（以下、ＶＵＶ－軟Ｘ線）電離放射線帯に、紫外－可視－赤外（以下、ＵＶ－ＶＩＳ－ＩＲ）照射帯の形態で燃焼の熱エネルギーハーベスティングを実施し、電気を焦電的に発生させ、内部電界増強放射および電子散乱を通じて電気を変換する。

エネルギーハーベスティング（エネルギー捕捉としても知られている）は、例えば、環境中（例えば、燃焼室中）に存在する燃焼プロセスで放出された周囲エネルギーを、自律型電子装置または回路に電力を供給する際に使用するための、および本発明の文脈において、本発明によるプラズマ触媒に電力を供給する際に使用するための電気エネルギーに変換することである。

本発明によるプラズマ触媒は、燃焼室のライニングであり、したがって、エネルギー形成プラズマの燃焼室への直接導入が使用される。プラズマ触媒の作動条件は、摂氏数百度の温度であり、弱い酸化性およびアルカリ性の環境である。

プラズマ触媒は、ナノメートル材料のいくつかの機能層を含み、その主なものは、入射ＵＶ－ＶＩＳ－ＩＲを吸収し、結晶子（多結晶または多結晶構造）および／または単結晶（単結晶構造）ナノウィスカを含むＶＵＶ－軟Ｘ線出力に変換する層、ナノウィスカを堆積させるためのマトリックスとしてのナノポーラスウェハであり、特殊なウェハコーティングが存在しない場合には、ウェハ材料自体が固体触媒として作用する。

好ましくは、前記ナノメートル材料は、バルブ金属酸化物、極性遷移金属酸化物、希土類酸化物およびリン化物、アルカリ金属酸化物および窒化物、ケイ素酸化物、炭化ケイ素および窒化物（三元およびより高次の複合体を含む）であり、これらは機能的特性および目的に従って（化学式によって）明確に定義された方法で組み合わされ、合成される。

好ましくは、前記吸収および変換層は、追加のコーティングの有無にかかわらず垂直に整列したペロブスカイト様ポリおよび／または単結晶ナノウィスカ（以下、ナノウィスカ）のアレイであり、ウェハの細孔の内側に堆積される。ナノウィスカは、１から１００ｎｍの直径および１００を超えるアスペクト比（長さ対直径）を有する一次元（１Ｄ）ナノ結晶構造として定義される。

好ましくは、前記ナノポーラスウェハは、両側が開いているか、片側のみが開いており、ウェハの上面／底面に対して垂直に向けられている自己組織化したハニカム状のほぼ単分散のナノ細孔のアレイを含む平面平行板である。ウェハのサイズはスケーラブルであり、ライニングおよび燃焼室の寸法に依存する。

本発明によるプラズマ触媒は、燃焼室壁ライニング用の焼結固体薄セラミックタイルである。壁のライニングは、追加の熱、酸化およびアルカリ性防止シールドとして機能することができる。

本発明によるプラズマ触媒は、スケーラブルなアーキテクチャを有し、可動部品がなく、自己給電式であり、本質的に信頼できる。

本発明は、一般に、熱駆動直接ＶＵＶ－軟Ｘ線発生装置を有するプラズマ触媒として分類され、したがって上記の熱エネルギー源に限定されない。

本発明によれば、プラズマ触媒がセラミック－マトリックスナノコンポジットの形態で提供され、前記ナノコンポジットは、少なくとも第１の部分および第２の部分を含み、前記第１の部分はナノポーラスウェハを含み、第２の部分は結晶性ナノウィスカを含む。

前記プラズマ触媒において、前記ナノポーラスウェハは、周期表のＩＵＰＡＣ第４族、第５族、第６族および第１３族のバルブ金属酸化物、ケイ素／二酸化ケイ素および炭化ケイ素のうちの少なくとも１つを含む。

前記ナノウィスカは、焦電特性を有するペロブスカイト様多結晶および／または単結晶強誘電体、遷移金属、導電性金属酸化物金属セラミックまたはそれらの複合体のうちの少なくとも１つを含む。

好ましい実施形態では、前記第１および第２の部分は、多層薄膜またはウェハの形態の上部カバーによって覆われる。

好ましくは、前記上部カバーは少なくとも３つの層、すなわち、
触媒グリッドと、
酸化アルカリ防止層と、
透明導電性酸化物セラミック層と、
を含む。

プラズマ触媒の別の好ましい実施形態では、前記ナノコンポジットは、焼結された固体の薄いセラミックタイルの形態である。

プラズマ触媒の別の好ましい実施形態では、第１の部分の前記ナノポーラスウェハは、円筒状またはＶ型集合体のいずれかの自己組織化されたハニカム状のほぼ単分散の細孔のアレイを含む平面平行ウェハの形態であり、細孔は、両側が開いているか、片側のみが開いており、ウェハの上面／底面に垂直に向けられている。

プラズマ触媒の別の好ましい実施形態では、前記ナノポーラスウェハは、以下の化学式に従って合成されたセラミックであり、
（Ｍｅ^４）_Ｉ（Ｍｅ^４）_Ｊ（Ｍｅ^６）_Ｋ（Ｍｅ^１３）_Ｌ（Ｓｉ）_Ｍ（ＳｉＣ）_Ｎ（Ｏ）_Ｚ、
Ｍｅ^４は周期表のＩＵＰＡＣ第４族遷移金属のバルブ金属であり、
Ｍｅ^５は周期表のＩＵＰＡＣ第５族遷移金属のバルブ金属であり、
Ｍｅ^６は周期表のＩＵＰＡＣ第６族遷移金属のバルブ金属であり、
Ｍｅ^１３は周期表のＩＵＰＡＣ第１３族遷移金属のバルブ金属であり、
添字Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、ＭおよびＺは、各タイプの原子の数的割合であり、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、ＭおよびＺのうちの１つは０より大きく、Ｎ＝１である。

プラズマ触媒の別の好ましい実施形態では、焦電特性を有する前記強誘電体は、以下の化学式に従って合成された、多結晶または単結晶のいずれかの形態のペロブスカイト様結晶ナノウィスカであり、
Σ［（Ｍｅ^１－２）_Ｉ（Ｍｅ^１－２）_Ｊ］（Ｍｅ^３）_ＫΣ［（Ｍｅ^４－６）_Ｌ（Ｍｅ^{４－６、８}）_Ｍ］Σ［（Ｍｅ^４－６）_Ｎ（Ｍｅ^{１２－１５}）_Ｒ］（ｓＭｅ^{１３－１６}）_Ｘ（ｎＭｅ^{１４－１６}）_Ｙ（Ｏ）_Ｚ、
上付き添字は周期表のＩＵＰＡＣ族を表し、
下付き添字Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｒ、Ｘ、Ｙ、Ｚは、各タイプの原子の数的割合を示し、
Σ［…］は、上付き添字の族のいくつかの要素を含む複合体の形成を示し、
Ｍｅ、ｓＭｅ、ｎＭｅは、それぞれ金属、半金属、非金属を示し、
Ｉ、Ｊ、Ｌ、Ｚのうちの少なくとも１つは、０より大きく、一般に、０≦Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｒ、Ｘ、Ｙ、Ｚ≦３０である。

本発明はまた、燃焼室のライニングの構成要素としてのプラズマ触媒の使用を含み、前記ライニングは、燃焼室壁の追加の熱、酸化およびアルカリ防止シールドとして機能する。

好ましくは、燃焼の前記ライニングは、燃焼室壁の追加の熱、酸化およびアルカリ防止シールドに役立つ。

適用可能性のさらなる分野は、本明細書に提供される説明から明らかになるであろう。この概要における説明および特定の例は、例示目的のみを意図しており、本開示の範囲を限定することを意図していない。

本明細書に記載の図面は、選択された実施形態の例示のみを目的としており、すべての可能な実施態様ではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

開示された実施形態の概要を示す図である。ナノスケールの強誘電ペロブスカイトにおけるサイズ駆動効果を示す図である。電気物理現象を示す図である。プラズマ触媒作用における相乗効果を示す図である。プラズマ触媒－ＬＴＰ－固体触媒相互作用を示す図である。プラズマ触媒、セラミック－マトリックスナノコンポジットの全体的な構造概念を示す図である。ナノポーラスウェハ、その構造および材料を示す図である。ナノウィスカ、その構造および材料を示す図である。上部カバー、その構造および材料を示す図である。プラズマ触媒のウェハ接合技術を示す図である。

以上、添付図面を参照しながら本発明を詳細に説明、例示した。しかしながら、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、添付の図面にも示されていない。本明細書および添付の特許請求の範囲に従って導出および実施することができる他の可能な実施形態および特徴の組み合わせがある。

本発明の少なくとも１つの例示的な実施形態が本明細書に開示されている。当業者には修正、置換および代替が明らかであり、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく行うことができることが理解される。この説明は、例示的な実施形態の任意の装置または変形例を網羅することを意図している。さらに、本明細書において、「備える」または「含む」という用語は、他の要素またはステップを排除するものではなく、「１つ」または「単一」という用語は、複数を排除するものではなく、「および／または」という用語は、いずれかまたは両方を意味する。さらに、記載された特徴またはステップは、説明または文脈がそうでないことを示唆しない限り、他の特徴またはステップと組み合わせて、任意の順序で使用することもできる。

本発明およびその実施形態をよりよく理解するために、まず、本発明が基づく物理的効果および現象について説明する。

ナノスケール強誘電体の焦電性
強誘電性ペロブスカイトの寸法が実際に０－２Ｄナノスケールに制限されると、バルク強誘電体の特性を支配する法則はもはや実施されない。Ｌａｎｄａｕ－Ｇｉｎｚｂｕｒｇ－Ｄｅｖｏｎｓｈｉｒｅの現象論的理論および計算モデルによれば、寸法効果を使用して、分極値（焦電係数）および強誘電性ナノ構造における相転移の温度を微調整し、したがって調整可能な巨大焦電応答を有するシステムを提供することができる。

０－２Ｄ強誘電体の電気物理的、光学的、および機械的特性の変動は、表面張力の変化に関連し、半径方向の内圧を誘発する。０－２Ｄナノ構造の内圧は、例えば、アスペクト比ではなく半径を有するナノウィスカの形態の１Ｄ円筒状結晶において、サイズが減少するにつれて増加する。圧力の影響は、結晶の軸に対する分極の方向に依存する。

図２は、ナノウィスカのサイズ駆動効果の曲線群を示す。図２において、ａ）およびｂ）は、円筒状ナノ結晶の半径Ｒに対する様々な強誘電体のキュリー温度Ｔ_Ｃおよび焦電係数Ｐ（分極）の典型的な依存性を示し、Ｔ_Ｃは強誘電相から常誘電体への二次相転移の温度である。偏光ベクトルが軸に沿って配向されると、Ｔ_Ｃおよび焦電係数Ｐ（偏光）は半径が（強誘電性に有利な長距離相互作用が弱まる臨界半径Ｒ_ＣＲまで）減少するにつれて増加し、軸に垂直な偏光の場合、Ｔ_ＣおよびＰは半径が減少するにつれて減少する。

電界増強発光
図３の部分ａ）は、電子の電界放出および電界増強放出の条件を示す。典型的には、電界放出の場合、放出表面上の約１０^７Ｖ／ｃｍ（１Ｖ／ｎｍ）の強度Ｅを有する電界が、表面障壁を通る電子トンネリングのための必要条件である。

実際、平面平行電極システムでは、強度１０^７Ｖ／ｃｍの均一な電界を得ることはできない。例外は、例えばナノスケールの円筒、円錐などを使用して、放射面の形状の変化により不均一な場が生成される場合である。したがって、エミッタ－アノードシステムの電界強度は、Ｅ＝γ・Ｕに増加させることができ、ここで、Ｕは、放射面に印加される電圧であり、γ（１／ｃｍ）は、電界増強係数である。

図３のプロットｂ）は、同軸円筒状システムの電界増強係数γ（ｄ、Ｄ）の直径ｄおよび発光面とアノードとの間の距離Ｄに対する依存性を示す。プロットから分かるように、電界増強係数が２．３×１０^４ｃｍ^－１≦γ≦２．６×１０^６ｃｍ^－１の範囲内にあり、放出表面に印加される電圧が４Ｖ≦Ｕ≦４５０Ｖである場合、電界強度はＥ≧１０^７Ｖ／ｃｍになり、これは電子の電界増強放出に必要な条件である。

膜への電子散乱
図３ｃ）および図３ｄ）は、固体と多層膜とにおける電子散乱の違いを示す。多層膜への電子散乱は、層の異なる物質によるだけでなく、内側層間境界での散乱（ブラッグ効果）および層間交換相互作用のために、より複雑な外観を有する。

固体の場合、物質への電子侵入の深さ（電子トラック長）Ｒ_ＫＯは、Ｋａｎａｙａ－Ｏｋａｙａｍａの式によって以下のように推定することができる。
Ｒ_ＫＯ＝（０．０２７６・Ａ・Ｅ_０ ^１．６７）／ρ・Ｚ^０．８９、
ここで、Ａは原子質量であり、Ｅ_０は初期電子エネルギーであり、ρは物質密度であり、Ｚは原子番号である。化合物（単純化された仮定を用いて、多層膜を化合物とみなすことができる）の場合、平均値が計算に取り込まれる。

Ｘ線生成の深さは、Ａｎｄｅｒｓｏｎ－Ｈａｓｌｅｒの式によって以下のように推定することができる。
Ｒ_ＡＨ＝０．０６４（Ｅ_０ ^１．６８－Ｅ_Ｃ ^１．６８）／ρ、
ここで、Ｅ_Ｃは吸収端（臨界励起）エネルギーである。

一般に、電子経路は、モンテカルロシミュレーションに基づく数学的モデリング技術を使用して計算される。

プラズマと不均一触媒の相乗効果
図４は、トルエンの破壊における様々な触媒技術の有効性の評価に関連する実験データを有する図を示す。トルエンの破壊中の相対効率（生成物収率）は、放電プラズマの触媒特性を化学反応器にさらに入れた固体触媒と組み合わせると、最大６５％に達する。

図５は、プラズマ触媒－ＬＴＰ－固体触媒のシステムにおける相互作用機構を示す。以下のタイプの相互作用、すなわち、電離放射線－物質、プラズマ－表面、再結合プラズマ放射－環境、および物質－不均一触媒がある。

ＶＵＶ－軟Ｘ線電離放射線は、反応性ラジカルフラグメントならびに振動および電子励起種を効率的に生成する。これらの化学的に活性な種は、反応速度論および経路を推進し、気相中に独特の構造を生成し、これは少なくとも経済的に重要な方法ではなく、他の方法では得ることができない。

プラズマの周囲に境界が存在すると、プラズマの特性が劇的に変化する強い勾配が生じる。これらの境界領域では、入射ＶＵＶ－軟Ｘ線放射がプラズマと最も強く相互作用し、しばしば固有の反応を引き起こす。そして、プラズマと表面との複雑な相互作用が発生するのは、正確に境界面上である。

プラズマ中の励起種の再結合によって生成された光子は、プラズマ中の他の種またはプラズマの境界と相互作用し、ＵＶ－ＶＩＳ－ＩＲ放射照度の形態でプラズマを出ることができる。

基本的に、固体触媒表面上のレドックス反応について３つの反応機構が提案されている。
ラングミュア－ヒンシェルウッド機構（ＬＨ）は、２つの分子が隣接部位に吸着され、吸着された分子が二分子反応を起こすことである。
Ｅｌｅｙ－Ｒｉｄｅａｌ機構（ＥＲ）は、分子の一方のみが触媒の表面に吸着し、他方は吸着せずに気相から直接反応すると考える。
ＭａｒｓおよびＶａｎＫｒｅｖｅｌｅｎ（ＭｖＫ）機構は、反応のいくつかの生成物が、触媒格子の１つまたは複数の成分を有する固体触媒表面を離れると仮定する。

本発明によるプラズマ触媒は、ＵＶ－ＶＩＳ－ＩＲ照射帯域の形態で燃焼の熱エネルギーハーベスティングを行い、電気を焦電的に発生させ、内部電界増強放出および電子散乱によって電気をプラズマ形成媒体としてのＶＵＶ－軟Ｘ線電離放射線帯域に変換する。

本発明によるプラズマ触媒は、バルブ金属酸化物、極性遷移金属酸化物、希土類酸化物および／またはリン化物、アルカリ金属酸化物、ケイ素および／またはケイ素酸化物、炭化ケイ素および／または窒化ケイ素の組み合わせに基づくセラミックマトリックスのナノコンポジットとして具体化され、追加のコーティングの有無にかかわらず、少なくとも１つのウェハの形態の三元以上の複合体を含む。

図６は、プラズマ触媒の可能な自由に拡張可能なアーキテクチャの実施形態の１つの設計を示す。プラズマ触媒は、自己組織化したハニカム様のほぼ単分散の細孔（６０３）のアレイを有する少なくとも１つのウェハ（６０２）を含む複合体であり、各細孔は、（６０５）または（６０６）のいずれかの３つのナノウィスカ（６０４）の少なくとも一方を含む。プラズマ触媒は、追加の上部カバー（６０１）およびウェハ（６０２）のコーティング（６０７）を有することが可能である。

図７は、ナノポーラスウェハ（６０２）およびコーティング（６０７）の形態および材料を示す。ウェハは、片側または両側に開いた細孔のいずれかを含み、第１の場合、ウェハは、元のウェハ材料の電気化学的処理後に残るいわゆる残留床を有する。また、ウェハは、円筒形またはＶ型集合のいずれかの細孔および追加の片側コーティングを有してもよい。ウェハは、以下の化学式によって合成されたケイ素／二酸化ケイ素または炭化ケイ素のいずれかの、バルブ金属酸化物のセラミックであり、
（Ｍｅ^４）_Ｉ（Ｍｅ^５）_Ｊ（Ｍｅ^６）_Ｋ（Ｍｅ^１３）_Ｌ（Ｓｉ）_Ｍ（ＳｉＣ）_Ｎ（Ｏ）_Ｚ、
ここで、Ｍｅ^ＸＸはＩＵＰＡＣ第ＸＸ族遷移金属のバルブ金属であり、下付き添字は各タイプの原子の数的割合であり、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、ＭおよびＺのうちの１つは０より大きく、Ｎ＝１である。

上部カバー（６０１）のないウェハ（６０２）は、以下の化学式に従って合成され、
（Ｍｅ^４）_Ｉ（Ｍｅ^５）_Ｊ（Ｍｅ^６）_Ｋ（Ｍｅ^１３）_Ｌ（Ｓｉ）_Ｍ（Ｏ）_Ｚ、
ここで、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、ＭおよびＺのうちの１つは０より大きく、
不均一系酸化還元触媒、例えばγ－Ａｌ_２Ｏ_３である。ウェハは、必要に応じてカスタマイズされた配合によって合成することができる。

ウェハコーティング（６０７）は、何も含まないか、または残留床、および／または以下の化学式による化合物の薄膜のいくつかの層を含み、
（Ｍｅ^３）_Ｉ（Ｍｅ^４）_Ｊ（Ｍｅ^５）_Ｋ（Ｍｅ^６）_Ｌ（Ｍｅ^１０）_Ｍ（Ｍｅ^１１）_Ｎ（Ｏ）_Ｚ、
ここで、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、ＮおよびＺのうちの少なくとも１つは０より大きい。

ナノウィスカ（６０４）、（６０５）および（６０６）のファミリは、ＵＶ－ＶＩＳ－ＩＲ照射の吸収、電気焦電性の発生、内部電界増強放出および電子散乱による電気のＶＵＶ－軟Ｘ線電離放射線への変換において主要な役割を果たす。

図８は、ウェハ（７０２）の細孔内に堆積されたナノウィスカのファミリを示し、円筒形またはＶ型のナノウィスカの少なくとも一方を含む。
ナノウィスカ（６０４）は、ペロブスカイト様ウィスカおよび導電性ウィスカの少なくとも一方であり、
ナノウィスカ（６０５）は、ペロブスカイト様ウィスカおよび導電性ウィスカを含む複合体であり、
ナノウィスカ（６０６）は、ペロブスカイト様ウィスカと、両側の導電性ウィスカと、を含む複合体である。

ペロブスカイト様ナノウィスカは、均一または不均一な結晶構造を有し、以下の一般的な化学式により合成された多結晶または単結晶の形態であり、
Σ［（Ｍｅ^１－２）_Ｉ（Ｍｅ^１－２）_Ｊ］（Ｍｅ^３）_ＫΣ［（Ｍｅ^４－６）_Ｌ（Ｍｅ^{４－６、８}）_Ｍ］Σ［（Ｍｅ^４－６）_Ｎ（Ｍｅ^{１２－１５}）_Ｒ］（ｓＭｅ^{１３－１６}）_Ｘ（ｎＭｅ^{１４－１６}）_Ｙ（Ｏ）_Ｚ、
ここで、上付き添字はＩＵＰＡＣ族を示し、下付き添字はナノウィスカの原子の数的割合を示し、
Σ［…］は、上付き添字の族のいくつかの元素を含む複合体の（可能な）形成を示し、
Ｍｅ、ｓＭｅ、ｎＭｅはそれぞれ金属、半金属、非金属であり、Ｉ、Ｊ、Ｌ、Ｚの少なくとも１つは、０より大きく（例えば、ＬｉＮｂＯ_３－ペロブスカイト様格子、均質、単結晶）、一般に、０≦Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｒ、Ｘ、Ｙ、Ｚ≦３０であり、例えば、ニオブ酸バリウムナトリウムＢａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５ペロブスカイト様結晶である。

導電性ナノウィスカ材料は、遷移金属、金属酸化物金属（ＭＯＭ）、または摂氏数百度の温度で低抵抗を有するいわゆる透明導電性酸化物（ＴＣＯ）セラミックの少なくとも１つである。

図９は、上部カバー（６０１）、構造および材料を示す。上部カバーを使用する場合、上部カバーは、図９ａによる波長範囲で透明であるべきであり、薄膜コーティングまたはウェハの形態であってもよい。

薄膜コーティングとしての上部カバー（６０１）は、少なくとも触媒グリッド層（９０１）、酸化アルカリ防止層（９０２）、ならびにＴＣＯセラミック層（９０３）を含む。

触媒グリッド層（９０１）は、以下の一般的な化学式による遷移金属薄膜またはＭＯＭ薄膜のうちの少なくとも１つであり、
（Ｍｅ^３）_Ｉ（Ｍｅ^４）_Ｊ（Ｍｅ^５）_Ｋ（Ｍｅ^６）_Ｌ（Ｍｅ^１０）_Ｍ（Ｍｅ^１１）_Ｎ（Ｏ）_Ｚ、
ここで、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、ＮおよびＺのうちの少なくとも１つは０より大きい。

上部カバー（６０１）がＳｉウェハ（９０４）である場合、それは少なくとも以下の層、すなわち、触媒グリッド層（９０１）、酸化アルカリ防止層（９０２）およびＴＣＯセラミック層（９０３）を含む。

図１０は、プラズマ触媒およびそれに使用される材料をパッケージングするためのウェハ接合技術を示す。プラズマ触媒が複数のウェハを含む場合、パッケージングは、以下の方法のうちの１つで行うことができる。
接着剤接合、図１０ａ、
ガラスフリット接合、図１０ｂ。

接着剤接合技術は、無機結合剤および充填剤の特定の混合物（１００１）を塗布することに基づいており、これらは、ウェハ（６０１，６０２）および焼成接着剤（１００２）の以下のパラメータを考慮して選択される。
使用されるすべての材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）の広がりが±５％以下であり、
使用温度および結合圧力は、いかなるプラズマ触媒構成要素にも損傷をもたらすべきではなく、
導電性である。

ガラスフリット接合技術は、有機バインダ、ガラス粉末、および必要に応じて導電性充填剤の特定の混合物（１００３）を使用することに基づいており、これらは、ウェハ（６０１，６０２）およびガラス（１００４）の以下のパラメータを考慮して選択される。
使用されるすべての材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）の広がりが±５％以下であり、
使用温度および結合圧力は、いかなるプラズマ触媒構成要素にも損傷をもたらすべきではなく、
導電性である。

セラミック－マトリックスナノコンポジットの形態のプラズマ触媒は、可動部品がなく、自己給電式であり、本質的に信頼できる焼結固体薄セラミックタイルである。

プラズマ触媒は、ライニングの形態で燃焼室の内側に配置され、並行して、室壁の熱シールドとして機能することができる。

当業者にとって、本発明が添付の図面に示され、上述された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内で他の多くの実施形態が可能であることは明らかである。

Claims

セラミック－マトリックスナノコンポジットの形態のプラズマ触媒であって、前記ナノコンポジットは少なくとも第１の部分および第２の部分を含み、
前記第１の部分がナノポーラスウェハを含み、
前記第２の部分が結晶性ナノウィスカを含む、
プラズマ触媒。
前記ナノポーラスウェハが、周期表のＩＵＰＡＣ第４族、第５族、第６族および第１３族のバルブ金属酸化物、ケイ素／二酸化ケイ素および炭化ケイ素のうちの少なくとも１つを含み、
前記ナノウィスカが、焦電特性を有するペロブスカイト様多結晶および／または単結晶強誘電体、遷移金属、導電性金属酸化物金属セラミックまたはそれらの複合体のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１に記載のプラズマ触媒。
前記第１および第２の部分が、多層薄膜またはウェハの形態の上部カバーによって覆われている、請求項１または２に記載のプラズマ触媒。
前記上部カバーが少なくとも３つの層、すなわち、
触媒グリッドと、
酸化アルカリ防止層と、
透明導電性酸化物セラミック層と、
を含む、請求項３に記載のプラズマ触媒。
前記ナノコンポジットが、焼結された固体の薄いセラミックタイルの形態である、請求項１から４のいずれか一項に記載のプラズマ触媒。
前記第１の部分の前記ナノポーラスウェハが、円筒状またはＶ型集合体のいずれかの自己組織化されたハニカム状のほぼ単分散の細孔のアレイを含む平面平行ウェハの形態であり、前記細孔は、両側が開いているか、片側のみが開いており、前記ウェハの上面／底面に垂直に向けられている、請求項１から５のいずれか一項に記載のプラズマ触媒。
前記ナノポーラスウェハが、以下の化学式に従って合成されたセラミックであり、
（Ｍｅ^４）_Ｉ（Ｍｅ^４）_Ｊ（Ｍｅ^６）_Ｋ（Ｍｅ^１３）_Ｌ（Ｓｉ）_Ｍ（ＳｉＣ）_Ｎ（Ｏ）_Ｚ、
Ｍｅ^４は周期表のＩＵＰＡＣ第４族遷移金属のバルブ金属であり、
Ｍｅ^５は周期表のＩＵＰＡＣ第５族遷移金属のバルブ金属であり、
Ｍｅ^６は周期表のＩＵＰＡＣ第６族遷移金属のバルブ金属であり、
Ｍｅ^１３は周期表のＩＵＰＡＣ第１３族遷移金属のバルブ金属であり、
添字Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、ＭおよびＺは、各タイプの原子の数的割合であり、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、ＭおよびＺのうちの１つは０より大きく、Ｎ＝１である、
請求項１から６のいずれか一項に記載のプラズマ触媒。
前記焦電特性を有する前記強誘電体が、以下の化学式に従って合成された、多結晶または単結晶のいずれかの形態のペロブスカイト様結晶ナノウィスカであり、
Σ［（Ｍｅ^１－２）_Ｉ（Ｍｅ^１－２）_Ｊ］（Ｍｅ^３）_ＫΣ［（Ｍｅ^４－６）_Ｌ（Ｍｅ^{４－６、８}）_Ｍ］Σ［（Ｍｅ^４－６）_Ｎ（Ｍｅ^{１２－１５}）_Ｒ］（ｓＭｅ^{１３－１６}）_Ｘ（ｎＭｅ^{１４－１６}）_Ｙ（Ｏ）_Ｚ、
上付き添字は周期表のＩＵＰＡＣ族を表し、
下付き添字Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｒ、Ｘ、Ｙ、Ｚは、各タイプの原子の数的割合を示し、
Σ［…］は、上付き添字の族のいくつかの要素を含む複合体の形成を示し、
Ｍｅ、ｓＭｅ、ｎＭｅは、それぞれ金属、半金属、非金属を示し、
Ｉ、Ｊ、Ｌ、Ｚのうちの少なくとも１つは、０より大きく、一般に、０≦Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｒ、Ｘ、Ｙ、Ｚ≦３０である、
請求項２に記載のプラズマ触媒。
請求項１から８のいずれか一項に記載のプラズマ触媒の、燃焼室のライニングの構成要素としての使用であって、前記ライニングが、燃焼室壁の追加の熱、酸化およびアルカリ防止シールドとして機能する、使用。
請求項１から８のいずれか一項に記載のプラズマ触媒を含む燃焼室ライニングであって、前記ライニングが燃焼室壁の追加の熱、酸化およびアルカリ防止シールドの役割を果たす、燃焼室ライニング。