專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)柵極偏置提高催化劑性能的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)選通偏置電壓(gated voltage bias)產(chǎn)生和提高催化效應(yīng)。
背景技術(shù)：
催化劑是這樣一種物質(zhì)，它能提高反應(yīng)速率或降低反應(yīng)活化能，并在反應(yīng) 結(jié)束后能夠恢復(fù)到原來(lái)的化學(xué)狀態(tài)。催化劑提供了另一種機(jī)理，該機(jī)理比沒(méi)有 催化劑的機(jī)理更快或能量更低。雖然催化劑參與了該機(jī)理，但它在化學(xué)反應(yīng)過(guò) 程中沒(méi)有被消耗。對(duì)于許多催化效應(yīng)來(lái)說(shuō)，要使催化效應(yīng)發(fā)生，必須克服表面 能，所述表面能總體上提高了催化層中電子的能量。例如，利用催化效應(yīng)的金 屬氧化物傳感器[例如氧化錫CO(—氧化碳)傳感器]需要被加熱到30(TC以上， 這樣才能發(fā)生催化效應(yīng)，將CO氧化到C02，并探測(cè)CO氣體。另一個(gè)例子是 Ti02 (二氧化鈦)，為了發(fā)生催化效應(yīng)，需要用UV (紫外)光進(jìn)行輻照。
催化過(guò)程通常遵循一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)路徑。無(wú)論是在液相還是氣相， 一種作用分子 (process molecule)或源分子達(dá)到催化劑上，然后發(fā)生反應(yīng)，將該分子激活。 活化物質(zhì)與其他分子或催化劑反應(yīng)，然后離開(kāi)催化劑。若催化劑在起始反應(yīng)中 被消耗，它會(huì)通過(guò)后續(xù)反應(yīng)從環(huán)境中的其他分子重新生成，從而使催化劑恢復(fù) 到初始狀態(tài)。
影響反應(yīng)速率的因素有很多。起始反應(yīng)可能需要克服活化能，這可通過(guò)將 催化劑和反應(yīng)分子加熱到較高溫度，或者用光或其他電磁能對(duì)其輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)。 因此，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)證明，催化劑的效能隨加熱(改變溫度)和/或施加光能(對(duì) 催化劑或催化劑表面上的反應(yīng)物進(jìn)行光激發(fā))而提高。加熱和UV輻射的一個(gè) 問(wèn)題是，它們使整個(gè)體系變得復(fù)雜，甚至有可能使體系變得不穩(wěn)定或降低體系 的效率。附圖簡(jiǎn)述


圖1示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。 圖2示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。 圖3示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。
圖4示出在兩個(gè)不同柵極偏壓值下，將CO氧化為C02時(shí)，導(dǎo)電性變化的
圖5示出在-60下柵電極上用-10伏電壓，將CO氧化為C02時(shí)，導(dǎo)電性變 化的測(cè)量值。
圖6 — 7示出本發(fā)明的其他實(shí)施方式。 圖8 — 9顯出費(fèi)米能級(jí)的變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用一種通過(guò)對(duì)催化層施加選通偏置電壓(voltage gated bias)產(chǎn)生 的能量源。鑒于加熱、UV輻射或其他類(lèi)型的外部能源使工作體系復(fù)雜化，有 時(shí)甚至無(wú)法應(yīng)用，采用固體選通偏壓(gated bias)結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化催化應(yīng)用，還可降 低成本，使體系小型化。
參見(jiàn)圖3，對(duì)于CO傳感器300，用6伏選通偏壓代替加熱，能促進(jìn)催化反 應(yīng)的進(jìn)行，結(jié)果能探測(cè)到CO氣體。傳感器位于Si背柵極(backgate)304頂部， 背柵極通過(guò)厚250納米的熱生長(zhǎng)氧化硅膜303絕緣，以防短路。利用電子束蒸 鍍?cè)陬A(yù)先圖案化的基板上沉積鉬薄膜302。所述圖案可利用沉積之類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)光 刻技術(shù)和剝離(lift-off)技術(shù)形成。然后將該金屬膜轉(zhuǎn)化為氧化鉬，成為傳感 器的活性區(qū)域。然后利用光刻和剝離來(lái)沉積導(dǎo)電接觸墊301，它可以是鈦。一 般地，這些接觸墊指在標(biāo)準(zhǔn)晶體管配置中用作源極和漏極。接觸墊301兩端的 電壓305為Va，而背柵極304上的電壓為V珊。
在接觸空氣的過(guò)程中，用電流表(307)監(jiān)測(cè)源極和漏極(301)之間的電 流，以此監(jiān)測(cè)傳感器300的電導(dǎo)率(conductivity)。在此實(shí)施方式中，氣體是一 氧化碳(CO)。在傳感器表面，CO氣體在空氣或氧氣存在下通過(guò)催化氧化反 應(yīng)轉(zhuǎn)化為C02。此氧化反應(yīng)在金屬氧化物膜302中提供了額外的電子，可檢測(cè) 為電導(dǎo)率發(fā)生變化，并且在外加電壓(305)保持恒定時(shí)，由電流表(307)測(cè) 得電流的變化。此電導(dǎo)率的變化，即傳感器響應(yīng)值的變化取決于施加在柵極上 的電壓306。催化劑的產(chǎn)物是催化反應(yīng)產(chǎn)生的C02氣體。此反應(yīng)可通過(guò)催化膜302上電導(dǎo)率的變化來(lái)監(jiān)測(cè)，該變化是每個(gè)轉(zhuǎn)化為C02的CO分子上供體電子 (donated electron)的結(jié)果。從一個(gè)角度看，傳感器測(cè)定的是CO的存在，但從另 一個(gè)角度看，它測(cè)定的是催化劑在CO存在下的性能。因此，傳感器等效于測(cè) 定氧化鉬催化劑302的效能。即便沒(méi)有測(cè)到催化劑膜的電導(dǎo)率變化，反應(yīng)也是 發(fā)生的。
傳感器300的性能示于圖4。負(fù)柵極電壓會(huì)使傳感器更加靈敏。此圖顯示 傳感器300在-5伏和+ 5伏兩個(gè)柵極電壓下對(duì)一氧化碳的響應(yīng)。當(dāng)柵極電壓為 -5伏時(shí)，傳感器300接觸CO后，其電導(dǎo)率有較大增加，結(jié)果導(dǎo)致電導(dǎo)增加， 如圖4所示。當(dāng)柵極電壓為+ 5伏時(shí)，傳感器300的電導(dǎo)率沒(méi)有顯示出任何顯 著變化。這樣就得到了一種非加熱型傳感器，在負(fù)柵極電壓下，它在室溫下就 產(chǎn)生響應(yīng)。負(fù)柵極偏壓的作用方式與提高溫度相同。負(fù)柵極偏壓改變了傳感器 300的費(fèi)米能級(jí)，使CO的催化氧化變得容易。
在-60。F下，傳感器300對(duì)CO的響應(yīng)示于圖5。傳感器在低溫下產(chǎn)生響應(yīng)， 以前的金屬氧化物氣體傳感器在這樣的低溫下沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)響應(yīng)。非加熱型選通 傳感器300即使在這樣低的溫度下也能對(duì)C0產(chǎn)生響應(yīng)。這是關(guān)于柵極偏壓如 何使催化體系免除熱需求的又一個(gè)例子。此外，還觀察到傳感器的響應(yīng)幅度在 低溫下比在高溫下(例如150下)有增加。這可能是因?yàn)閭鞲衅?00處于較低 溫度時(shí)，C0在傳感器表面上的結(jié)合時(shí)間增加。分析物在表面上的時(shí)間越長(zhǎng)，C0 被氧化的機(jī)會(huì)就越多，因而傳感器300將給出響應(yīng)。響應(yīng)的增加可能是因?yàn)橛?更多的分子在此低溫下完成氧化并成為C02，也就是說(shuō)傳感器300效率更高。 此同樣過(guò)程也可以與其他催化材料關(guān)聯(lián)起來(lái)，只要這種材料即使不受熱也表現(xiàn) 出效率的增加。
這種效率的增加有時(shí)可能與熱傳輸和反應(yīng)能級(jí)有關(guān)。由于給定體系內(nèi)存在 溫度差，所以熱表面(對(duì)受熱催化劑而言)能提供擴(kuò)散輸入。反應(yīng)物在朝熱表 面擴(kuò)散的過(guò)程中將開(kāi)始變熱。由于此反應(yīng)物吸收熱形式的能量，它更有可能擴(kuò) 散開(kāi)去而沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)。非加熱型的選通催化劑表面就不會(huì)形成這些擴(kuò)散條 件，從而增加了發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會(huì)。
眾所周知，催化劑用于降低使反應(yīng)物變?yōu)楫a(chǎn)物的能級(jí)(或能壘)。此能壘 一般通過(guò)加熱克服，因?yàn)榧訜崮軌蛟诓牧夏軒ЫY(jié)構(gòu)內(nèi)的能級(jí)上產(chǎn)生一組新的電 子。此新占據(jù)的能級(jí)是催化反應(yīng)發(fā)生的能級(jí)。電子依據(jù)溫度的分布遵從費(fèi)米一 狄拉克統(tǒng)計(jì)學(xué)。費(fèi)米一狄拉克分布函數(shù)描述了在給定溫度T下一個(gè)可用的能態(tài)(E)可被電子占據(jù)的概率。該分布函數(shù)如下-
f(E)=l/(l+e(,k(b)*T) 其中k(b)是玻爾茨曼常數(shù)，Ef是費(fèi)米能級(jí)能量。對(duì)于任意半導(dǎo)體材料，Ef描述 了電子占據(jù)其最低能帶、最高己占分子軌道(HOMO)或次高能帶、最低未占 分子軌道(LUMO)的概率。對(duì)于本專(zhuān)利的催化劑實(shí)施方式，考慮了兩種能級(jí) 情形。第一種情形示于圖8。對(duì)于許多半導(dǎo)體材料，LUMO與HOMO之間的能 差在2 — 3電子伏特的量級(jí)上。此大能差稱(chēng)為帶隙?，F(xiàn)在通常將HOMO和LUMO 重新命名為價(jià)帶和導(dǎo)帶?？紤]這樣一種能帶或軌道，其中反應(yīng)在某個(gè)高于導(dǎo)帶 的反應(yīng)能級(jí)上發(fā)生。在未施加?xùn)艠O電壓的本征設(shè)置(intrinsicsetting)下，價(jià)帶上 總有電子存在。然而，沒(méi)有足夠的能量使電子存在于反應(yīng)軌道上。當(dāng)提高費(fèi)米 能級(jí)能量時(shí)，占據(jù)導(dǎo)帶的電子數(shù)增加。根據(jù)到達(dá)反應(yīng)能帶所需的能量，反應(yīng)能 帶上也可能存在電子。溫度和光可使電子躍過(guò)帶隙，從而提高價(jià)帶和導(dǎo)帶中的 本征電子數(shù)。這就是加熱型半導(dǎo)體催化劑的情況。當(dāng)施加?xùn)艠O偏壓時(shí)，費(fèi)米能 級(jí)能量提高，從而占據(jù)導(dǎo)帶并有可能占據(jù)反應(yīng)能帶，因此活化了催化劑。這描 述了通過(guò)外加?xùn)艠O偏壓催化劑的電子應(yīng)用的情況。從上述費(fèi)米分布函數(shù)可以看 到，能態(tài)的占據(jù)情況可通過(guò)溫度、玻爾茨曼分布或費(fèi)米能級(jí)能量來(lái)控制，并可 能是它們的組合的控制。
在另一種情形下，催化劑的HOMO與LUMO之間的能差較小，但催化反 應(yīng)有可能在另一種(例如)能量高于LUMO的不同分子上發(fā)生。這種情形示于 圖9。為了使占據(jù)這個(gè)能級(jí)以便反應(yīng)發(fā)生，必須輸入能量，使電子的費(fèi)米分布 發(fā)生移動(dòng)。輸入的能量可以是光、熱(溫度)或柵極偏壓，用以提高費(fèi)米能級(jí) 能量。也可以采用這三種途徑的組合。例如，同時(shí)施加?xùn)艠O偏壓可獲得較低的 溫度。
本說(shuō)明書(shū)的范圍不受限于此傳感器觀察到的現(xiàn)象。施加在催化劑表面上的 場(chǎng)或柵極偏壓可能提高催化劑表面或膜的效能。當(dāng)施加的偏壓使催化劑的能級(jí) 移動(dòng)，并使開(kāi)放能態(tài)(未占據(jù)能態(tài))可供反應(yīng)物分子利用時(shí)，就可能發(fā)生這種 情況，而在沒(méi)有施加偏壓的情況下，所述開(kāi)放能態(tài)無(wú)法利用。
有許多工業(yè)制造工藝也依賴(lài)于半導(dǎo)體催化劑。
1. SOHIO (俄亥俄標(biāo)準(zhǔn)油(Standard Oil of Ohio))工藝涉及丙烯的氧化 /氨氧化來(lái)制造丙烯醛和丙烯腈。用于此情況的一種催化劑是鉍鉬氧化物，但也 可以使用多組分催化劑(包括Bi、 Mo、 Fe、 Ce等)。 一般將此催化劑加熱到300 —400°C。
2. 有人研究了用于乙烷氧化脫氫的負(fù)載型氧化鉬(M0O3/Al2O3)催化劑。 對(duì)烯烴的需求依然是對(duì)煉油和石化工業(yè)的一個(gè)挑戰(zhàn)。用于生產(chǎn)烯烴的經(jīng)典商業(yè) 工藝十分耗能，因而需要更為經(jīng)濟(jì)的來(lái)源。[見(jiàn)"an叩emndo Raman study of structure and reactivity of alumina-supported molybdenum oxide catalysts for the oxidation dehydrogenation of ethane(用于乙烷氧化脫氫的負(fù)載于氧化鋁上的氧 化鉬催化劑的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性的拉曼實(shí)驗(yàn)研究)"，A. Christodoulakis， E. Heracleous, A.A. Lemonidou, and S. Boghosian, >/ C齒/. 2006,第242巻，第16 一25頁(yè)〗。
3. 使用氧化錫(Sn02)作為一氧化碳(CO)的氧化催化劑。[見(jiàn)"The surface and materials science of tin oxide(氧化錫的表面和材料科學(xué))"，M. Batzill and U. Diebold, iVogre^ /" Sw/ace Sc/e"ce, 2005,第79巻，第47—154頁(yè)]。Sn02也 用于許多加熱型金屬氧化物傳感器。
4. 含各種負(fù)載量的氧化鈦(Ti02)的氧化釩(V203)用于將甲醇選擇性 氧4七為甲醛[見(jiàn)"In situ IR， Raman, and UV-Vis DRS spectroscopy of supported vanadium oxide catalysts during methanol oxidation (對(duì)負(fù)載型氧化f凡催化齊U在甲 醇氧化期間的原位IR、拉曼和UV-Vis DRS光譜研究)"，L. J. Burcham， G. Deo， X. Gao, and I. E, Wachs 7b/ . Cato/. 2000, 11/12, 85]和用NH3選擇性還原NOx[見(jiàn)
"Reactivity of Catalysts for the Selectivity Catalytic Reduction of NO by NH3: Influence of Vandadia loading, H20 and S02 (用于NH3選擇性催化還原NO的催 化劑的活性氧化釩的負(fù)載量、H20和S02的影響)"，M. D. Amiridis, E. E. Wachs, G. Deo, J. -M. Jehng, and D. S. Kim, , Ozto/. 1996,第161巻，第247頁(yè)]。
5. 氧化鋅(Zn02)用于通過(guò)乙醇蒸氣重整生產(chǎn)H2[見(jiàn)"Current Status of Hydrogen Production Techniques by Steam Reforming of Ethanol: A Review(通過(guò) 乙醇蒸氣重整生產(chǎn)氫的技術(shù)現(xiàn)狀綜述)"，A. Haryanto, S. Fernando, N. Murali, and S. Adhikari, Energy & Fuels, 2005, 19， 2098]。
如果催化劑用柵極電壓進(jìn)行偏置，或者對(duì)催化膜施加電場(chǎng)，這些過(guò)程可在 較低溫度下發(fā)生并更有效，或者反應(yīng)產(chǎn)物(例如上述例1中的丙烯醛和丙烯腈) 的生產(chǎn)更加完全。
也有這樣一些催化反應(yīng)過(guò)程，若不加熱，催化劑材料會(huì)產(chǎn)生不同的產(chǎn)物。 在此實(shí)例中，正常的催化劑產(chǎn)生手性分子的對(duì)映異構(gòu)體的混合物。用于活化催化劑的反應(yīng)熱提供了足夠的能量，可以防止手性產(chǎn)物的兩種對(duì)映異構(gòu)體的形 成。施加?xùn)艠O偏壓可以充分降低溫度，使得兩種手性產(chǎn)物中僅有一種產(chǎn)生。減 少加熱或取消加熱以及對(duì)催化劑施加?xùn)艠O偏壓，還可控制產(chǎn)生的反應(yīng)中間體， 因此可以通過(guò)選定的化學(xué)機(jī)理控制生成產(chǎn)物。換句話說(shuō)，也可利用它控制反應(yīng) 沿一個(gè)方向或另一個(gè)方向進(jìn)行。對(duì)于生物分子的生產(chǎn)或天然產(chǎn)物的合成，這是 很有用的。
因此，在對(duì)半導(dǎo)體催化膜或?qū)拵洞呋な┘訓(xùn)艠O偏壓或電場(chǎng)時(shí)，還有其 他的配置。所施加的柵極偏壓的極性也很重要；在圖3所示CO傳感器300的 例子中，柵電極上采用的是負(fù)偏壓。其他體系也可能響應(yīng)正偏壓，具體取決于 半導(dǎo)體催化劑是n型還是p型。
圖6顯示了對(duì)催化劑施加偏壓或電場(chǎng)的另一種配置。在圖6中，催化劑層 604沉積在絕緣層605的頂部。稱(chēng)為柵電極的導(dǎo)電電極603位于絕緣層605的 另一側(cè)。另一柵電極602懸置在催化劑膜上方。此柵電極602由同樣絕緣的柵 極隔柱(gate spacer post)601支撐。在懸置柵電極602與底部柵電極603之間施 加?xùn)艠O偏壓。V J扁壓的方向視情況而定，取決于催化劑的材料和由催化劑促 進(jìn)的反應(yīng)。在操作中，將此組件置于氣體或流體中，然后發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué) 產(chǎn)物。催化劑對(duì)該反應(yīng)起促進(jìn)作用。在柵電極上存在合適的偏壓提高了催化劑 的性能，結(jié)果減少了施加在催化劑上的熱量或其他能量(圖6未示出)，從而 提高了反應(yīng)過(guò)程的效率，或者通過(guò)產(chǎn)生更多產(chǎn)物而提高了反應(yīng)的產(chǎn)率。
圖7是偏置催化劑的另一種實(shí)施方式，它類(lèi)似于圖6。圖7中沒(méi)有絕緣層， 催化劑層702直接沉積在底部柵電極701的頂部。柵電極703可以是承載基底 (未示出)上的導(dǎo)電膜，或者是自支撐的導(dǎo)電片，如金屬箔。懸置柵電極703 位于催化表面上方，由柵極隔柱704支承。柵極偏壓Vffl位于底部電極701和 懸置電極703之間。V M偏壓的方向視情況而定，取決于催化劑的材料和由催 化劑促進(jìn)的反應(yīng)。在操作中，將此組件置于氣體或流體中，然后發(fā)生反應(yīng)，形 成化學(xué)產(chǎn)物。催化劑對(duì)該反應(yīng)起促進(jìn)作用。在柵電極上存在合適的偏壓提高了 催化劑的性能，結(jié)果減少了施加在催化劑上的熱量或其他能量(圖7未示出)， 從而提高了反應(yīng)過(guò)程的效率，或者通過(guò)產(chǎn)生更多產(chǎn)物而提高了反應(yīng)的產(chǎn)率。
這些配置可應(yīng)用于氣相體系或液相體系，只要各電極表面之間能夠維持偏 壓即可。
因此，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)表明，催化劑的效能在加熱(改變溫度)和/或施加光能(對(duì)催化劑或催化劑表面的反應(yīng)物進(jìn)行光激發(fā))時(shí)提高。通過(guò)對(duì)催化劑施加 柵極偏壓或電場(chǎng)，催化劑材料的效能也增加(更高的催化響應(yīng)和更高的產(chǎn)物產(chǎn) 率)。
參見(jiàn)圖2，示出本發(fā)明的另一種實(shí)施方式。在每個(gè)網(wǎng)層201 — 205上交替施 加正偏壓和負(fù)偏壓，或者正偏壓和接地(V2為0)，或者負(fù)偏壓和接地209 (若 Vj為O) 。 Vi和V2可以具有相同或不同的值。V,和V2直接連接到交替導(dǎo)電網(wǎng) 層201 — 205上。在一種實(shí)施方式中，這些值是定值(DC)，但原則上它們也 可隨時(shí)間變化，或者用反饋回路由反應(yīng)監(jiān)控信號(hào)進(jìn)行控制，以便根據(jù)反應(yīng)參數(shù) 的變化抑制反應(yīng)或調(diào)整反應(yīng)產(chǎn)物，如改變輸入化學(xué)物質(zhì)的濃度。反應(yīng)監(jiān)控信號(hào) 的例子有來(lái)自傳感器的信號(hào)，所述傳感器測(cè)量催化劑上游或下游的工藝流中一 種或多種化學(xué)物質(zhì)的溫度或濃度，甚至可以測(cè)量催化劑自身性質(zhì)的變化，如結(jié) 合圖3所描述的以及如圖4和圖5所示的CO傳感器中電導(dǎo)率的變化。
粒狀催化劑207是被絕緣隔柱206分開(kāi)的導(dǎo)電網(wǎng)層208的各層之間的顆粒 床層。顆粒207可以是氧化釩、氧化錫或其他半導(dǎo)體或?qū)拵恫牧?。粒徑可?在10微米至1納米之間。設(shè)置網(wǎng)層201 — 205，以容納催化劑顆粒207。催化 劑顆粒207可以是不同材料的混合物(例如氧化錫顆粒與氧化釩顆粒的混合 物)。催化劑顆粒207可以是一種涂覆了另一種材料的材料(例如涂覆氧化釩 的八1203)?？蓪?duì)該裝置進(jìn)行加熱或冷卻，以進(jìn)一步控制反應(yīng)過(guò)程。在操作中， 將此組件置于氣流或流體流中，然后發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué)產(chǎn)物。催化劑顆粒207 對(duì)該反應(yīng)起促進(jìn)作用。相對(duì)于網(wǎng)電極201 — 205存在合適的偏壓提高了催化劑 的性能，結(jié)果減少了施加在催化劑上的熱量或其他能量(圖2未示出)，從而 提高了反應(yīng)過(guò)程的效率，或者通過(guò)產(chǎn)生更多產(chǎn)物而提高了反應(yīng)的產(chǎn)率。
圖1顯示了另一種替代實(shí)施方式。在金屬層或?qū)щ娋W(wǎng)層102—105上涂覆 催化劑膜106。對(duì)層102—105彼此相對(duì)地施加偏置電壓。Vt和V2可以具有相 同或不同的值。Vi和V2直接連接到交替導(dǎo)電網(wǎng)層102—105上。類(lèi)似于圖2， Vi和V2保持恒定，但原則上它們也可隨時(shí)間變化，或者通過(guò)反饋回路，由反 應(yīng)監(jiān)控信號(hào)進(jìn)行控制，以便根據(jù)反應(yīng)參數(shù)的變化抑制反應(yīng)或調(diào)整反應(yīng)產(chǎn)物。用 半導(dǎo)體催化劑材料或?qū)拵洞呋瘎┎牧?例如氧化錫、氧化釩等)(106)涂 覆部分或全部導(dǎo)電網(wǎng)102—105。層102—105可具有相同涂層，或者它們可具 有可選涂層。有多少層就可以有多少不同的涂覆材料。每層的涂覆材料可由多 種材料組成， 一個(gè)涂層可位于另一個(gè)涂層的頂部。涂層可以是粗糙的，也可以是光滑的。涂覆網(wǎng)層的方法多種多樣。本實(shí)施方式不依賴(lài)于涂覆導(dǎo)電網(wǎng)層的方 法。該組件可通過(guò)加熱或冷卻氣流或流體流，或者通過(guò)加熱或冷卻網(wǎng)組件來(lái)控 制溫度。在操作中，將此組件置于氣流或流體流中，然后發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué)
產(chǎn)物。催化劑涂層106對(duì)該反應(yīng)起促進(jìn)作用。相對(duì)于網(wǎng)電極102—105存在合
適的偏壓提高了催化劑的性能，結(jié)果減少了施加在催化劑上的熱量或其他能量 (圖l未示出)，從而提高了反應(yīng)過(guò)程的效率，或者通過(guò)產(chǎn)生更多產(chǎn)物而提高 了反應(yīng)的產(chǎn)率。
對(duì)于圖1、 2、 3、 6和7所示的任何實(shí)施方式，催化劑可以是二氧化鈦(氧 化鈦)。氧化鈦是光催化劑。光催化劑是通過(guò)光輻照而得到活化的催化材料。 氧化鈦光催化劑的效能可隨著施加偏置電壓而提高。光催化材料是由涂覆導(dǎo)電 金屬層的載體組成的。隨后將氧化鈦置于導(dǎo)電層上，用透光的導(dǎo)電網(wǎng)覆蓋，然 后用隔柱支在氧化鈦層上方一定距離處。該材料示于圖7，但本說(shuō)明書(shū)中介紹 的其他配置方式也適用。
氧化鈦是寬帶隙半導(dǎo)體，對(duì)金紅石和銳鈦礦相的能隙分別為3.03電子伏特 或3.18電子伏特。決定導(dǎo)帶與價(jià)帶之間電子分布的一個(gè)因素受控于費(fèi)米一狄拉 克統(tǒng)計(jì)原理。電子分布可受費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)的影響。費(fèi)米能級(jí)越靠近某個(gè)特定能 帶(例如導(dǎo)帶)，占據(jù)該能帶的電子就越多。如果導(dǎo)帶中有更多的電子，就有 更多的電子可供參與化學(xué)反應(yīng)。如本說(shuō)明書(shū)所述，調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)的一種方式是 施加偏置電壓。如前所述，這也可影響反應(yīng)朝一種產(chǎn)物或另一種產(chǎn)物進(jìn)行的方 向。
影響費(fèi)米能級(jí)，且因此進(jìn)而提高氧化鈦光催化劑效能的另一種途徑是在氧 化鈦中摻雜n型材料，舉例來(lái)說(shuō)，得到氧化鈦摻雜的穩(wěn)定四方型氧化鋯 (TiO[2]-ZrO[2]-Y20[3])材料，該材料是n型半導(dǎo)體。此方法可與施加偏置電壓 結(jié)合，以獲得協(xié)同效應(yīng)。
一般而言，需要利用UV光來(lái)活化氧化鈦光催化劑。要想降低活化能要求， 以便利用日光中通?？傻玫降目梢?jiàn)光，就需要顯著降低氧化鈦的帶隙。這可如 文獻(xiàn)中廣泛討論的那樣，通過(guò)用氮摻雜氧化鈦實(shí)現(xiàn)。因此，為了利用上述全部 改進(jìn)效果，需要合成氮摻雜(n型)的氧化鈦材料，并對(duì)其施加偏置電壓。
權(quán)利要求
1. 一種進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的催化器件，它具有施加了偏置電壓的導(dǎo)電柵極、柵極絕緣結(jié)構(gòu)和位于該柵極絕緣結(jié)構(gòu)頂部的催化材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的催化器件，其特征在于，所述催化材料是金屬氧化物。
3. 如權(quán)利要求1所述的催化器件，其特征在于，所述催化材料是半導(dǎo)體材料。
4. 如權(quán)利要求1所述的催化器件，其特征在于，所述電壓改變了催化材料的 能級(jí)分布。
5. 如權(quán)利要求1所述的催化器件，其特征在于，所述偏置電壓改變了催化材 料的費(fèi)米能級(jí)。
6. 如權(quán)利要求1所述的催化器件，其特征在于，所述偏置電壓改變了催化材 料各能級(jí)上的電子分布。
7. 如權(quán)利要求1所述的催化器件，其特征在于所述催化材料具有已占和未占 的分子軌道。
8. 如權(quán)利要求7所述的催化器件，其特征在于，所述偏置電壓改變了分子軌 道上的電子數(shù)。
9. 一種可通過(guò)施加?xùn)艠O偏壓改變其能級(jí)的催化劑材料。
全文摘要
利用以下方法提高了催化劑的效能通過(guò)施加電壓提高費(fèi)米能級(jí)能量，從而占據(jù)導(dǎo)帶，并有可能占據(jù)反應(yīng)帶。
文檔編號(hào)B01J19/08GK101304805SQ200680042176
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月10日
發(fā)明者I·帕弗洛弗斯基, J·諾瓦克, R·芬克, Z·雅尼弗 申請(qǐng)人:毫微-專(zhuān)賣(mài)股份有限公司