JP7221952B2 - 光触媒リアクタセル - Google Patents

Description

１．関連出願
本出願は以下の米国特許出願に基づく優先権を主張し、これらの米国特許出願に記載された全ての記載内容を引用により援用するものである。２０１７年６月２７日出願の米国仮特許出願第６２／５２５，３０１号、２０１７年６月２７日出願の米国仮特許出願第６２／５２５，３０５号、２０１７年６月２７日出願の米国仮特許出願第６２／５２５，３８０号、２０１７年１１月１５日出願の米国仮特許出願第６２／５８６，６７５号。

さらに、以下の出願も引用により全ての記載内容を援用する。２０１８年５月１１日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１８／３２３７５号、２０１８年５月１１日出願の米国特許出願第１５，９７７，８４３号、及び、これと同時に出願された「複数の光触媒リアクタセルを有する光触媒リアクタ」という表題の国際特許出願第（未定）。
２．技術分野
本開示は、概して、筐体と、筐体内に配置された触媒担体に設けられた１または複数のプラズモン光触媒とを備える光触媒リアクタセルに関する。

３．背景技術
工業プロセスは、化学製品製造や環境汚染物質の緩和に用いる不均一系触媒に大きく依存している。これらのプロセスは、表面積の広い担体材料に分散した金属ナノ粒子に依存する場合が多く、触媒として活性な表面積を最大にするとともに、触媒（パラジウム、白金、ルテニウム、またはロジウム）を最も費用対効果が高く用いることができる。遷移金属ナノ粒子を利用した触媒プロセスは、多くの場合エネルギー集約的であり、触媒活性を最大にするために高温および高圧力を必要とする。したがって、効率的で費用対効果の高い触媒リアクタとシステムが必要とされる。

発明者らは、人工または自然光源を利用した効率的なリアクタセルを発見した。本開示のリアクタセルは、１または複数の目標波長の吸収を最大化する、および／または所望の化学反応に触媒作用を及ぼすように設計される。その結果、ここに開示するリアクタセルは、現在の多くの工業プロセスに対して費用対効果が大きく環境的に持続可能な解決方法になりうる。

したがって、ある態様によれば、本開示は、少なくとも１つの入力と少なくとも１つの出力とを有する光学的に透明な筐体と、前記筐体内に配置された触媒担体上の１または複数のプラズモン光触媒とを備えるリアクタセルを提供し、前記プラズモン光触媒はプラズモン材料に物理的、電子的、熱的または光学的結合などにより結合された触媒を備え、光源を用いると、前記リアクタセルは少なくとも１つの反応物質を少なくとも１つの改質物に変化させるように構成されている。

別の態様によれば、１または複数の本開示のリアクタセルを用いて反応物質を変化させる方法を提供する。具体的には、本開示は、少なくとも１つの反応物質を少なくとも１つの改質物に変化させる方法を提供する。この方法は、（ａ）少なくとも１つの反応物質を本開示のリアクタセルに加える工程と、（ｂ）少なくとも１つの光源を介して少なくとも前記リアクタセルの内部を照射する工程とを備える。

別の態様において、本出願は、少なくとも１つの入力と、少なくとも１つの出力と、中央の空洞とを有する筐体と、前記中央の空洞内に配置された光源と、前記筐体内に配置され、前記中央の空洞を実質的に取り囲む触媒担体上の１または複数のプラズモン光触媒とを備えるリアクタセルを提供し、前記プラズモン光触媒は、物理的、電子的、熱的、または光学的な結合によりプラズモン材料に結合された触媒を有する。

添付の図面は、本開示の方法および装置をさらに理解するために含まれており、本明細書の一部に組み込まれ、この明細書の一部を構成するものである。図面は必ずしも縮尺どおりであるとは限らず、理解を促進するために、様々な要素のサイズが単純化するために歪められ、および／または簡略化された表現として示されてもよい。図面は本開示の１または複数の実施形態を図示し、説明とともに、発明の原理や動作を説明する役割を果たす。
本開示のある実施形態に係るリアクタセルの側断面図である。 本開示のある実施形態に係るリアクタセルの分解斜視側面図である。 ビーズ状の触媒担体を有するリアクタセルの構成例を詳細に示す断面図である。

本開示の装置および方法を説明する前に、本明細書に記載される態様は、特定の実施形態、装置、または構成に限定されるものではなく、当然ながら、変更可能であると理解されるべきである。また、本明細書において使用される用語は特定の態様を記述する目的でのみ使用されるものであり、本明細書において特に定義されない限り、限定的なものではないと理解されるべきである。

本明細書を通じて、文脈で別段の必要がない限り、「備える」および「含む」およびそれらの変形例（例えば、「備える」、「含む」等）は記載された構成要素、特徴、要素、ステップ、または構成要素、特徴、要素、ステップのまとまりを含むことを意味するが、その他の構成要素、特徴、要素、ステップ、または構成要素、特徴、要素、ステップのまとまりを除外するものではない。

明細書及び添付の特許請求の範囲において使用されるように、単数形は、文脈が明確に別段の指示を行わない限り、複数の対象を含む。

本明細書において使用される場合、「結合」は、ある要素の他の要素への物理的、電子的、熱的、または光学的結合を含む。

本明細書において、範囲は、「約」ある特定の値から、および／または「約」別の特定の値までとして表すことができる。そのような範囲を表す場合、別の態様として、前記ある特定の値から、および／または前記別の特定の値までとして表すことができる。同様に、値が近似として表現される場合、先行する「約」を用いることにより、前記特定の値が別の態様を構成することが理解されるであろう。さらに、各範囲の終点は、別の終点と関連して、および別の終点とは独立して、重要であることが理解されるであろう。

特に明記されていない限り、本明細書におけるパーセンテージ、比、および比率は全て重量単位である。構成要素の重量パーセント（重量％またはｗｔ％）は、特に別段の記載がない限り、前記構成要素が含まれる構成要素の総重量（例えば、触媒材料の総量）に基づいている。

本開示に鑑みて、本明細書に記載されたプロセスや活物質は、当業者によって所望の要求を満たすように構成することができる。一般に、開示された材料、方法、および装置は、光触媒プロセスおよび材料を改善する。一般に、本開示は、少なくとも１つの入力と少なくとも１つの出力とを有する筐体と、前記筐体内に配置された触媒担体上の１または複数のプラズモン光触媒とを備えるリアクタセルを提供する。典型的には、プラズモン光触媒は、物理的、電子的、熱的、または光学的結合等により、プラズモン材料に結合された触媒を備える。本開示のリアクタセルは、光源の使用により、少なくとも１つの反応物質を少なくとも１つの改質物に変化させるように構成されている。

従来の固定ベッドリアクタにおいて、触媒ベッドは光学的に透明ではない（すなわち、光が触媒ベッドを透過しない）。一方、本開示のいくつかの実施形態によれば、少なくとも支持部は光学的に透明である。ある実施形態によれば、本開示のリアクタセルは、光学的に透明な筐体を追加で、または択一的に備えている。いくつかの実施形態によれば、前記光学的に透明な筐体は、所定の光波長に対して少なくとも５０％の透過率を有する。例えば、いくつかの実施形態によれば、光学的に透明な筐体は、所定の光波長に対して約５０％から約１００％の透過率、または、所定の光波長に対して少なくとも５５％、または少なくとも６０％、または少なくとも７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、さらにまたは少なくとも９８％の透過率を有する。

好ましくは、本開示のいくつかの実施形態による光学的に透明な筐体は、低い熱膨張率を有してもよい。したがって、ある実施形態によれば、前記光学的に透明な筐体は、約１×１０^－４／°Ｋ未満の線膨張係数（ＣＴＥ）を有する材料を備える。ある実施形態によれば、前記光学的に透明な筐体は、約１×１０^－５／°Ｋ未満のＣＴＥ、または約５×１０^－６／°Ｋ未満のＣＴＥ、または約３×１０^－６／°Ｋ未満のＣＴＥ、さらにまたは約１×１０^－６／°Ｋ未満のＣＴＥを有する材料を備える。例えば、適切なＣＴＥ値を有する物質の例として、３．２×１０^－６／°Ｋのホウケイ酸ガラス、３．２×１０^－６／°Ｋのパイレックス（登録商標）ガラス、約０．５９×１０^－６／°Ｋから約９×１０^－６／°Ｋの石英、５．３×１０^－６／°Ｋのサファイア、及び０．５５×１０^－６／°Ｋの溶融石英があげられるが、これに限るものではない。

当業者であれば、所定の光波長（または波長範囲）に対する所望の透過率、および／または熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する任意の材料を用いてもよいことを理解するであろう。いくつかの実施形態によれば、光学的に透明な筐体は、ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英、溶融石英、アルミノ珪酸ガラス、リチウム－アルミノ珪酸ガラス、サファイア、またはこれらの組み合わせを備える。

ある実施形態によれば、光学的に透明な筐体は、すべての面が光学的に透明な筐体である。しかし、当業者であれば、ある実施形態によれば、光学的に透明な筐体はすべての面が光学的に透明な筐体でなくてもよいことを理解できるであろう。例えば、光学的に透明な筐体の外側の空洞は、中央の空洞（光学的に透明であってもよい）に面する反射面を備えてもよい。または、筐体の内面の実質的に全体が、光学的に透明である代わりに反射性を有してもよく、それにより、リアクタセルの内側に設けられた光源を利用する実施形態において有利である。外側の空洞と中央の空洞を含む上述のような実施形態を、以下に更に詳細に説明する。

また、本開示のリアクタセルは、物理的、電子的、熱的、または光学的結合等によってプラズモン材料に結合した触媒を備える１または複数のプラズモン光触媒を必要とする。理論に拘束されるものではないが、プラズモン材料は、プラズモン材料と光の特有の相互作用によって光を吸収可能な光アンテナとして作用すると考えられており、その結果、プラズモン材料上およびプラズモン材料の近くで強い電界を発生する（例えば、プラズモン材料内の電子の集団振動の結果による）。このプラズモン材料上およびプラズモン材料の近くの強い電界によって、触媒とプラズモン材料とが約２０ｎｍ以上離れた場合でも、触媒とプラズモン材料とが結合することができる。

一般に、プラズモン材料は、任意の金属、合金、メタロイド元素、またはその合金であってもよい。いくつかの実施形態によれば、本開示のプラズモン材料は、金、金合金、銀、銀合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれかである。本開示において、「合金」は任意の金属の可能な組み合わせを含む。例えば、合金は、ＡｕＡｇ、ＡｕＰｄ、ＡｕＣｕ、ＡｇＰｄ、ＡｇＣｕ等の二元合金、またはそれらは三元合金、さらには四元合金であってもよい。

いくつかの実施形態によれば、本開示のプラズモン材料は、酸化されていないコアを取り囲む酸化物シェルを備える。１または複数の実施形態によれば、酸化物シェルは、金属または合金が空気または水にさらされると生成される天然／自然酸化物シェルであってもよい。例えば、銅プラズモン材料は、銅のコアを取り囲む銅酸化物（例えば、ＣｕＯまたはＣｕ_２Ｏ）を有していてもよく、アルミニウムプラズモン材料は、アルミニウムのコアを取り囲むアルミニウム酸化物シェルを有していてもよい。いくつかの実施形態によれば、適切な化学的方法、または化学的合成、そうでない場合は堆積によって酸化物を予め形成されたプラズモン材料の周りに形成することで、自然／天然酸化物シェルを人工的に厚くするなどして、酸化物シェルを少なくとも部分的に人工的に形成してもよい。いくつかの実施形態によれば、酸化物シェルの厚さは、約３０ｎｍまで、または約２５ｎｍまで、または約１５ｎｍまでであってもよい。いくつかの実施形態によれば、酸化物シェルの厚さは、少なくとも約０．５ｎｍ、または少なくとも１ｎｍ、または少なくとも１．５ｎｍであってもよい。いくつかの実施形態によれば、酸化物シェルの厚さは、約０．１ｎｍから約５ｎｍ、または約０．１ｎｍから約３０ｎｍ、または約１ｎｍから約５ｎｍ、または約１ｎｍから約３０ｎｍである。

当業者であれば、プラズモン材料のサイズ、形、化学的構造は、１または複数の目標波長の吸収に影響することを理解できるであろう。したがって、１または複数のプラズモン材料は、１または複数の目標波長の吸収を最大にするように設計されていてもよい（例えば、目標波長を認識するが、他の目標でない波長については吸収量が比較的少ない）。別の例において、本開示のプラズモン材料は所望の化学反応に触媒作用を及ぼすように設計されていてもよい。したがって、いくつかの実施形態によれば、本開示のプラズモン材料は、電磁スペクトルの紫外線から赤外線領域において、プラズモン共鳴振動数または光学的吸収最大値を有してもよい。いくつかの実施形態によれば、プラズモン材料は、可視光スペクトル（約３８０ｎｍから約７６０ｎｍの範囲の波長等）において、プラズモン共鳴振動数を有している。

一般に、プラズモン材料に結合した触媒材料は、（例えば、プラズモン材料と結合していない場合でも）所望の反応に触媒作用を及ぼすことが可能な任意の化合物であってもよい。例えば、前記触媒は、酸化および還元反応、水または大気汚染の緩和反応、ＮＯ_×およびＮ_２Ｏの分解、アセチレンの水素化等の水素化反応に対する触媒作用、（例えば、フィッシャー・トロプシュ合成反応を用いた炭化水素を生成するための水素化反応と結びつきうる）逆水性ガスシフト反応を介した二酸化炭素から一酸化炭素への転換反応、およびアンモニアの合成を含む窒素活性化反応が可能であってもよい。いくつかの実施形態によれば、本開示の触媒は、任意の金属またはメタロイド元素、任意の合金、酸化物、リン化物、窒化物、またはこれらの組み合わせであってもよい。例えば、本開示の触媒は、触媒活性なパラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、ニッケル、鉄、銅、コバルト、イリジウム、オスミウム、チタン、バナジウム、インジウム、またはこれらの組み合わせを備えてもよい。本開示の触媒は、触媒活性なパラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、ニッケル、鉄、銅、コバルト、イリジウム、オスミウム、チタン、バナジウム、またはインジウムの任意の合金、酸化物、リン化物、または窒化物を備えてもよい。いくつかの実施形態によれば、本開示の触媒は、触媒活性な鉄または銅を含む。いくつかの実施形態によれば、本開示の触媒は、金属間ナノ粒子、コア－シェルナノ粒子、または半導体ナノ粒子（例えば、Ｃｕ_２Ｏ）であってもよい。

いくつかの実施形態によれば、前記触媒は、プラズモン材料に物理的に付着していてもよく、別の実施形態によれば、前記触媒は、プラズモン材料から小さな距離だけ離れていてもよい（ただし、物理的、電子的、熱的、または光学的結合等によって結合されている）。この分離は、空間（つまり、明確な物理的分離）によって行われてもよいし、上述した薄い酸化物層で行われてもよい。例えば、プラズモン材料と触媒は、リソグラフィ法で形成するときに小さな距離だけ離れて、明確な物理的分離を形成してもよい。１または複数の実施形態によれば、この小さな分離は、約３０ｎｍまで、または約２５ｎｍまで、または約１５ｎｍまでであってもよい。いくつかの実施形態によれば、この分離は、少なくとも約０．５ｎｍ、または少なくとも２ｎｍ、または少なくとも５ｎｍ、または少なくとも１０ｎｍであってもよい。いくつかの実施形態によれば、１または複数の触媒は、反応に利用可能な表面積を増やすことのできる単一のプラズモン材料の表面に物理的に取り付けられてもよい。いくつかの実施形態によれば、触媒は、プラズモン材料を取り囲むシェルを構成してもよい。

プラズモン光触媒は、約５ｎｍから約３００ｎｍの直径を有してもよい。いくつかの実施形態によれば、本開示のプラズモン光触媒の直径は、約１０ｎｍから約３００ｎｍ、または約５０ｎｍから約３００ｎｍ、または約８０ｎｍから約３００ｎｍ、または約１００ｎｍから約３００ｎｍ、または約５ｎｍから約２５０ｎｍ、約１０ｎｍから約２５０ｎｍ、または約５０ｎｍから約２５０ｎｍ、または約８０ｎｍから約２５０ｎｍ、または約１００ｎｍから約２５０ｎｍ、または約５ｎｍから約２００ｎｍ、約１０ｎｍから約２００ｎｍ、または約５０ｎｍから約２００ｎｍ、または約８０ｎｍから約２００ｎｍ、または約１００ｎｍから約２００ｎｍ、または約８０ｎｍから約２００ｎｍであってもよい。

少なくともいくつかの実施形態におけるリアクタセルは、触媒担体上に分散した１または複数のプラズモン光触媒をさらに有する。筐体と同様に、いくつかの実施形態によれば、触媒担体は低吸光度、特に（特定の放射波長または波長域に対する）十分に低い吸光度を有し、それにより、反応物質が十分な照射量に晒され、その結果、使用中の特定のリアクタセル形状に対して所望の触媒効果を得ることができる。

当業者であれば、所定の光波長（または、光波長のセットまたは範囲）に対する所望の吸光度または透過率を有する任意の材料を触媒担体に用いてもよいことを理解できるであろう。いくつかの実施形態によれば、触媒担体は、シリカ、石英、溶融石英、ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、リチウム－アルミノ珪酸ガラス、サファイア、ダイヤモンド、またはそれらの混み合わせを備える。本開示の触媒担体は、ビーズ、多孔質ビーズ、繊維、球体、ペレット、（中空またはその他の）円筒、ハニカム、または（例えば、押出加工または錠剤化法を用いた）対称または非対称の３～４葉体等の、当業界で知られている任意の形状をしてもよい。例えば、図２は、ビーズ状の触媒担体の断面図を示す。いくつかの実施形態によれば、本開示の触媒担体はエアロゲルであってもよい。適切なエアロゲルは、二酸化ケイ素エアロゲル、酸化アルミニウムエアロゲル、二酸化チタンエアロゲル、二酸化ジルコニウムエアロゲル、酸化ホルミウムエアロゲル、酸化サマリウムエアロゲル、酸化エルビウムエアロゲル、酸化ネオジム（ＩＩＩ）エアロゲル、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施形態によれば、本開示の触媒担体は二酸化ケイ素エアロゲルである。当業者であれば、担体がエアロゲルである場合、プラズモン光触媒はエアロゲル中に分散していてもよい（例えば、プラズモン光触媒がエアロゲルに埋没していてもよい）。いくつかの実施形態によれば、本開示の触媒担体は、透明な酸化アルミニウム（例えば、α相の酸化アルミニウムまたはγ相の酸化アルミニウム）であってもよい。

プラズモン光触媒は、所望の用途に適した任意の量で触媒担体上に存在してもよい。例えば、触媒担体上に存在するプラズモン光触媒の量は、約０．０１ｗｔ％から約３０ｗｔ％、または約０．０１ｗｔ％から約８０ｗｔ％、または約１０ｗｔ％から約８０ｗｔ％、または約０．０１ｗｔ％から約７０ｗｔ％、または約１０ｗｔ％から約７０ｗｔ％、であってもよい。いくつかの実施形態によれば、触媒担体上に存在するプラズモン光触媒の量は、約０．０１ｖｏｌ％から約３０ｖｏｌ％、または約０．０１ｖｏｌ％から約２０ｖｏｌ％、または約１０ｖｏｌ％から約５０ｖｏｌ％、または約０．０１ｖｏｌ％から約７０ｖｏｌ％、または約１０ｖｏｌ％から約７０ｖｏｌ％、であってもよい。

いくつかの実施形態によれば、プラズモン光触媒は、担体の外面上の薄膜コーティングとして（例えば、１または数枚の層として）、触媒担体に存在してもよい。１または複数の実施形態によれば、担体にコーティングされたプラズモン光触媒層は、約３０ｎｍまで、または約２５ｎｍまで、または約１５ｎｍまで、または少なくとも約０．５ｎｍ、または少なくとも２ｎｍ、または少なくとも５ｎｍ、または少なくとも１０ｎｍ、または約５ｎｍから約３００ｎｍ、または約１０ｎｍから約３００ｎｍ、または約５０ｎｍから約３００ｎｍ、または約８０ｎｍから約３００ｎｍ、または約１００ｎｍから約３００ｎｍ、または約５ｎｍから約２００ｎｍ、約１０ｎｍから約２００ｎｍ、または約５０ｎｍから約２００ｎｍ、または約８０ｎｍから約２００ｎｍ、または約１００ｎｍから約２００ｎｍ、または約８０ｎｍから約２００ｎｍ、または約５ｎｍから約１００ｎｍ、または約１０ｎｍから約１００ｎｍ、または約５０ｎｍから約１００ｎｍ、または約１０ｎｍから約５０ｎｍ、または約１ｎｍから約５０ｎｍ、の厚さであってもよい。

いくつかの実施形態によれば、リアクタセルは、筐体内に配置された触媒担体上の一つのプラズモン光触媒を備える（例えば、１種類の坦持されたプラズモン光触媒が筐体内に配置されてもよい）。いくつかの実施形態によれば、リアクタセルは、筐体内に配置された触媒担体上の２以上のプラズモン光触媒を備える（例えば、２以上の異なるプラズモン光触媒が筐体内に配置されてもよい）。担体上の２以上のプラズモン光触媒は、混合された状態でも、別々の層の状態でも、どちらの状態でもよい。例えば、それぞれの層が、所望のプラズモン共鳴振動数および／または所望の直径を有する坦持された１種類のプラズモン光触媒を有してもよい。非限定的な例では、ある層が、ある所望の波長域を他の波長に比較して吸収し、次の層が別の波長域を吸収し、最後の層（例えば中間層）が第１および第２の波長域以外の波長等、別の波長を吸収する。

一般に、リアクタセルは、光源によってプラズモン光触媒を照射できるように構成されている。本開示のリアクタセルのある実施形態を、図１Ａの断面図に示す。同じリアクタセル１００の要素も、図１Ｂの分解図に示す。ここで、図示されたリアクタセル１００は、光学的に透明な筐体１１０の内部に配置された触媒担体１２０上のプラズモン光触媒を備えている。リアクタセル１００は、少なくとも１つの反応物質入力１３０と少なくとも１つの改質物出力１４０のための少なくとも１つの輸送経路にセルを取り付けるように構成された取り付け具１６０をさらに備えてもよい。リアクタセル１００は、光学的に透明な筐体１１０内に触媒を保持するように構成された１または複数のパッキン支持部１５０をさらに備えてもよい。

リアクタセルの筐体の大きさと形は、所望の要求を満たすように選択してもよい。いくつかの実施形態によれば、筐体は約０．２ｃｍから約１０ｃｍ、または約０．５ｃｍから約３ｃｍの内径を有する。いくつかの実施形態によれば、筐体は、約１０ｃｍから約２ｍ、または約５０ｃｍから約１ｍの長さを有する。リアクタセルの筐体は、例えば、断面が円形または多角形であってもよい。

上述したように、リアクタセルは、少なくとも１つの反応物質を筐体に輸送するための、または少なくとも１つの改質物を筐体から輸送するための、少なくとも１つの輸送経路にリアクタセルを取り付けるように構成された１または複数の取り付け具（例えば、図１Ａ、１Ｂに示す取り付け具１６０）をさらに備えてもよい。例えば、取り付け具は、反応物質入力に結合されたた第１の取り付け具と、改質物出力に結合された第２の取り付け具とを備えてもよい。本開示の取り付け具は、例えば、低合金鋼、高合金鋼、クロム合金、ニッケル合金、プラスチック、ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英、溶融石英、アルミノ珪酸ガラス、リチウム－アルミノ珪酸ガラス、またはそれらの組み合わせを備えてもよい。必要に応じて、本開示の取り付け具は、Ｏリングまたは他のシール機構をさらに備えてもよい。他の取り付け部材および／またはシール機構も可能であり、本開示の範囲内であることが意図されている。

リアクタセルは、触媒を筐体内に保持するように構成された１または複数のパッキン支持部（例えば、図１Ａ、図１Ｂに示すパッキン支持部１５０）をさらに備えてもよい。いくつかの実施形態によれば、パッキン支持部はリアクタセルの入力端部と出力端部とに設けられている。いくつかの実施形態によれば、パッキン支持部は、リアクタセルの入力端部と出力端部とにスペースを空けて設けられている。パッキン支持部として用いられる従来の材料は、例えば、金属網、（担体よりも径が大きい）ガラスビーズ、ガラスウール、モノリス、ポリマー、またはエストラマーであってもよい。

いくつかの実施形態によれば、光学的に透明な筐体は、外側の空洞、外側の空洞と同軸上に配置された中央の空洞とをさらに備え、外側の空洞は触媒担体上のプラズモン光触媒を含み、中央の空洞は光源または温度管理機構を配置可能に構成されている。いくつかの実施形態によれば、光源は筐体の中央の空洞に配置されている。いくつかの実施形態によれば、光源は、筐体の長さ方向に沿って、または長さ方向を貫通するように延びている。任意の適切な光源は、ＬＥＤ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ、キセノンランプ、白熱電球、蛍光ランプ、ハロゲンランプ、ＨＩＤ、レーザ、またはこれらの組み合わせであってもよいが、これらには限定されない。太陽光などの自然光を、光源として中央の空洞に導入してもよい。いくつかの実施形態によれば、温度管理機構は光学的に透明な筐体の中央の空洞に配置される。当該分野で知られている任意の温度管理機構を用いてもよい。例えば、温度管理機構は、流体がリアクタセルを通ってリアクタセルに熱を加えるまたはリアクタセルから熱を取り除くように、中央の空洞の第１の端部に結合した流体入力と、中央の空洞の第２の端部に結合した流体出力とを備えてもよく、または、温度管理機構は、熱伝導可能な金属ロッドまたは金属ワイヤを備えてもよい。

別の態様によれば、リアクタセルを用いて反応物質を変化させる方法を提供する。具体的には、本開示は、少なくとも１つの反応物質を少なくとも１つの改質物に変化させる方法を提供し、この方法は、少なくとも１つの反応物質を本開示のリアクタセルに加える工程と、少なくとも１つの光源を用いてリアクタセルの内部を照射する工程とを備えている。

本開示の方法の別の実施形態によれば、前記照射は、筐体の外部の光源から行われ、筐体は実質的に光学的に透明である。

いくつかの実施形態によれば、前記方法は、少なくとも１つのセルを、プラズモン光触媒と反応する少なくとも１つの反応物質を用いて加熱する（例えば、専用の熱源を用いるなど、外部から加熱しない）工程をさらに備える。いくつかの実施形態によれば、前記方法は、リアクタセルを外部から加熱する工程をさらに備える。外部からの加熱は、上述の温度管理機構、または別の加熱方法によって行われる。

本開示の代表的な方法は、酸化還元反応、水または大気汚染の緩和反応、ＮＯ_ＸおよびＮ_２Ｏの分解、アセチレンの水素化等の水素化、二酸化炭素転換、およびアンモニアの合成を含む窒素活性化反応を含むが、これらに限定されるものではない。代表的な化学的転換として、以下のものがあげられる。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ
ＣＨ_４＋ＣＯ_２→Ｈ_２＋ＣＯ
Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ→Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ
ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ
Ｎ_２Ｏ→Ｎ_２＋Ｏ_２
Ｃ_２Ｈ_２＋Ｈ_２→Ｃ_２Ｈ_４
Ｈ_２＋Ｎ_２→ＮＨ_３
ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＨ_４ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ
したがって、いくつかの実施形態によれば、反応物質はメタンおよび水、または反応物質はメタンおよび二酸化炭素、または反応物質は一酸化炭素および水、または反応物質は二酸化炭素および水素ガス、または反応物質は亜酸化窒素、または反応物質はアセチレンおよび水素ガス、または反応物質は水素ガスおよび窒素ガス、または反応物質は二酸化炭素および水素ガスである。

本開示の方法は、任意の適切な温度で行われてもよい。例えば、いくつかの実施形態によれば、本開示の方法は、約１００°Ｃから約３００°Ｃ、または約１００°Ｃから約２５０°Ｃ、または約１００°Ｃから約２００°Ｃ、または約１５０°Ｃから約３００°Ｃ、または約１５０°Ｃから約２５０°Ｃ、または約１５０°Ｃから約２００°Ｃ、または約２００°Ｃから約３００°Ｃ、または約２００°Ｃから約２５０°Ｃ、または約１８０°Ｃから約２２０°Ｃ、または約１９０°Ｃから約２１０°Ｃ、または約２０°Ｃから約３００°Ｃ、または約２０°Ｃから約２５０°Ｃ、または約２０°Ｃから約２００°Ｃ、または約２０°Ｃから約１５０°Ｃ、または約２０°Ｃから約１００°Ｃ、の範囲で行われる。

本開示の方法は、任意の適切な圧力で行われてもよい。例えば、いくつかの実施形態によれば、本開示の方法は、約１４ｐｓｉから約３００ｐｓｉ、または約１４ｐｓｉから約２００ｐｓｉ、または約１４ｐｓｉから約１００ｐｓｉ、または約１４ｐｓｉから約５０ｐｓｉ、または約１００ｐｓｉから約３００ｐｓｉ、または約１００ｐｓｉから約２００ｐｓｉ、の圧力範囲で行われる。

本開示の方法において、反応物質は、任意の適切な温度でリアクタセルに導入されうる。いくつかの実施形態によれば、リアクタセルに導入されるとき、反応物質は、約２００°Ｃから約３００°Ｃ、または約２００°Ｃから約２７０°Ｃ、または約２００°Ｃから約２５０°Ｃ、または約２３０°Ｃから約２７０°Ｃの温度である。

本明細書に記載された実施例および実施形態は例示目的のためにのみ用いられるものであり、それによる種々の変型または変更が当業者に提案され、本出願の精神および範囲ならびに請求項の範囲の中に組み込まれるべきであることが理解される。本明細書に引用される全ての出版物、特許、および特許出願は、全ての目的のために、引用により本明細書に組み込まれる。

Claims (21)

1. 光学的に透明な円筒状の筐体と、
   少なくとも１種の反応物質入力ガスを受けるための少なくとも１つの輸送経路に、前記筐体の第１端を取り付けるように構成された第１の取り付け具と、
   少なくとも１種の出力ガスを出力するための少なくとも１つの輸送経路に、前記筐体の第２端を取り付けるように構成された第２の取り付け具と、
   実質的に前記筐体を満たす固定ベッドとしてパッキングされている触媒担体と、
   前記触媒担体によって担持されている第１のプラズモン光触媒、当該第１のプラズモン光触媒は所望の化学反応を触媒するためのプラズモン共鳴振動数を有するプラズモン材料にカップリングされた触媒を含む、と、
   前記触媒担体によって担持された第２のプラズモン光触媒、当該第２のプラズモン光触媒は前記第１のプラズモン光触媒とは異なり、前記第１のプラズモン光触媒と異なるプラズモン共鳴振動数を有する、と、
   を含み、
   前記少なくとも１種の反応物質入力ガスが前記筐体を通過する間、前記筐体の少なくとも内部の実質的に全体に光源を使用すると、前記少なくとも１種の反応物質入力ガスを、前記少なくとも１種の反応物質入力ガスが少なくとも１つの前記第１のプラズモン光触媒と反応することを通じて、前記少なくとも１種の出力ガスに変化させるように構成されている、１または複数の反応物質ガスを変化させるための固定ベッドリアクタセル。
2. 前記光学的に透明な筐体は、少なくとも１つの所定の光波長に対して少なくとも５０％の透過率を有する、請求項１に記載のリアクタセル。
3. 前記光学的に透明な筐体は、ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英、溶融石英、アルミノ珪酸ガラス、リチウム－アルミノ珪酸ガラス、サファイア、またはそれらの組み合わせを備える、請求項１に記載のリアクタセル。
4. 前記触媒担体は、少なくとも１つの所定の光波長に対して前記少なくとも１種の反応物質入力ガスを前記少なくとも１種の出力ガスへ変化させる触媒作用を及ぼすのに必要な程度に低い吸光度を有するように選択される、請求項１に記載のリアクタセル。
5. 前記触媒担体は、シリカ、石英、溶融石英、ガラス、ホウケイ酸ガラス、サファイア、ダイヤモンド、またはこれらの組み合わせを備える、請求項１に記載のリアクタセル。
6. 前記触媒担体は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化ホルミウム、酸化サマリウム、酸化エルビウム、酸化ネオジウム（ＩＩＩ）、またはそれらの組み合わせを有するエアロゲルである、請求項１に記載のリアクタセル。
7. 前記触媒担体は酸化アルミニウムである、請求項１に記載のリアクタセル。
8. 前記筐体は、０．２ｃｍから３０ｃｍの内径を有し、１０ｃｍから２ｍの長さを有する、請求項１に記載のリアクタセル。
9. 前記光源は、少なくとも１つのＬＥＤ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ、キセノンランプ、白熱電球、蛍光ランプ、ハロゲンランプ、ＨＩＤ、レーザ、またはこれらの組み合わせを備える、請求項１に記載のリアクタセル。
10. 前記光学的に透明な筐体は、外側の空洞と、該外側の空洞と同軸に配置された中央の空洞とをさらに備え、前記外側の空洞は、前記触媒担体上の少なくとも前記第１のプラズモン光触媒を含みかつ前記中央の空洞を実質的に取り囲み、前記中央の空洞には、前記光源と温度管理機構のうちの少なくとも１つが設けられる、請求項１に記載のリアクタセル。
11. 前記温度管理機構は、流体が前記リアクタセルを通り抜けて該リアクタセルに熱を加えるまたは該リアクタセルから熱を除去するように、前記中央の空洞の第１の端部に結合された流体入力と、前記中央の空洞の第２の端部に結合された流体出力とを含む、請求項１０に記載のリアクタセル。
12. 前記温度管理機構は、少なくとも１つの金属ロッドまたは複数の金属ワイヤを備える、請求項１０に記載のリアクタセル。
13. 少なくとも１種の反応物質入力ガスを固定ベッドリアクタセルを用いて変化させる方法であって、前記固定ベッドリアクタセルは、
    光学的に透明な円筒状の筐体と、
    前記少なくとも１種の反応物質入力ガスを受けるための少なくとも１つの輸送経路に、前記筐体の第１端を取り付けるよう構成された第１の取り付け具と、
    少なくとも１種の出力ガスを出力するための少なくとも１つの輸送経路に、前記筐体の第２端を取り付けるよう構成された第２の取り付け具と、
    実質的に前記筐体を満たす固定ベッドとしてパッキングされている触媒担体と、
    前記触媒担体によって担持されている第１のプラズモン光触媒、当該第１のプラズモン光触媒は所望の化学反応を触媒するためのプラズモン共鳴振動数を有するプラズモン材料にカップリングされた触媒を含む、と、
    前記触媒担体によって担持された第２のプラズモン光触媒、当該第２のプラズモン光触媒は前記第１のプラズモン光触媒とは異なり、前記第１のプラズモン光触媒と異なるプラズモン共鳴振動数を有する、と、
    を含み、
    前記方法は、
    少なくとも１種の反応物質入力ガスを、前記リアクタセルの前記第１の取り付け具への前記少なくとも１つの輸送経路を通じて、供給する工程と、
    少なくとも１つの光源を介して、少なくとも前記リアクタセルの内部を照射する工程と、
    少なくとも１種の出力ガスを前記リアクタセルの前記第２の取り付け具から出力する工程と、
    を備え、
    前記少なくとも１種の反応物質入力ガスが前記筐体を通過する間、前記筐体の少なくとも内部の実質的に全体に光源を使用すると、前記リアクタセルは、前記少なくとも１種の反応物質入力ガスを、前記少なくとも１種の反応物質入力ガスが少なくとも１つの前記第１のプラズモン光触媒と反応することを通じて、前記少なくとも１種の出力ガスに変化させるように構成されている、方法。
14. 少なくとも一部が前記筐体内に配置された温度管理機構を介して前記リアクタセルを加熱する工程をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
15. 別の専用の熱源を加えず、前記プラズモン光触媒と反応する前記少なくとも１種の反応物質入力ガスを介してのみ前記少なくとも１つのセルを加熱する工程をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
16. 少なくとも１つの入力と、少なくとも１つの出力と、中央の空洞とを有する筐体と、
    前記中央の空洞内に配置された光源と、
    前記筐体内に配置されて実質的に前記筐体を満たし、前記中央の空洞を実質的に取り囲む固定ベッド触媒担体上の第１のプラズモン光触媒、前記第１のプラズモン光触媒は、所望の化学反応を触媒するプラズモン共鳴振動数を有するプラズモン材料に結合された触媒を有する、と、
    前記触媒担体によって担持された第２のプラズモン光触媒、当該第２のプラズモン光触媒は前記第１のプラズモン光触媒とは異なり、前記第１のプラズモン光触媒と異なるプラズモン共鳴振動数を有する、と、
    を備え、
    少なくとも１種の反応物質入力ガスが前記筐体を通過する間、前記筐体の少なくとも内部の実質的に全体に光源を使用すると、前記少なくとも１種の反応物質入力ガスを、少なくとも前記第１のプラズモン光触媒と反応させることを通じて、少なくとも１つの出力ガスに変化させるように構成されている、
    １または複数のガスを変化させるための固定ベッドリアクタセル。
17. 前記筐体は、前記中央の空洞に面する反射面を有する、請求項１６に記載のリアクタセル。
18. 前記筐体は、５０ｃｍから１ｍの長さを有する、請求項１に記載のリアクタセル。
19. 前記第２のプラズモン光触媒は、前記第１のプラズモン光触媒と異なる直径を有する、請求項１に記載のリアクタセル。
20. 前記第１のプラズモン光触媒および第２のプラズモン光触媒は、互いに異なる層に配置されている、請求項１に記載のリアクタセル。
21. 前記第１のプラズモン光触媒は他の波長に対して第１の波長範囲を吸収し、一方、前記第２のプラズモン光触媒は他の波長に対して第２の波長範囲を吸収し、
    前記第１の波長範囲は、前記第２の波長範囲と異なっている、
    請求項１に記載のリアクタセル。

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