CN1268007C - 产生能量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及产生能量的方法和装置。本发明应用一种最新发现的化学反应物，该化学反应物在反应剂结合以在催化剂表面形成产物时形成，用于发电、产生辐射束或者机械运动。本发明还提供把所述产物转换成电或者运动的方法。发电机由放置在基底上的催化剂超微结构簇、超微结构层或者量子阱构成，基底包含一个半导体二极管，和一个在基底表面上邻近催化剂的半导体二极管。产生机械运动的装置由放置在基底上的催化剂超微结构簇、超微结构层或者量子阱，和一个与基底的不反应侧接触的液压流体构成，同时催化剂和基底两者的表面都机械地形成以加强对流体的单一方向的力。两个装置都使用与催化剂接触的液体氧化剂混合物。所述装置把反应产物的几乎所有部分都在这些产物与其周围平衡之前的短暂时间内转化成有用功。

Description

产生能量的方法和装置

技术领域

本发明涉及产生能量的方法和装置，通过在以释放能量形式达到热平衡之前从在催化剂的表面上发生的化学反应提取电能或化学能或相干辐射。

背景技术

最近的实验观察揭示了各种催化过程的线索，发生在：1)化学反应剂与催化剂的表面形成键接的，引起电子和空穴之类的载流子发射的0.01微微秒的时间内；2)被捕获于吸附剂和催化剂表面之间的势能阱后反应剂以量化的阶次吸附并且丢失能量的，产生电子磨擦、载流子电流和发射声子的0.01微微秒的时间内；及3)不论是被捕获在催化剂表面上还是刚从其上逸脱之后，在反应中间体和反应产物辐射电磁能的毫微秒或者更长的时间内。这些过程涉及三个能量释放过程，即：1)载流子(电子和空穴)发射、2)声子发射和3)光发射。

这些平衡前的发射的发现为把平衡状态前可得到的高级化学能量转换成有用功提供了新的途径。术语“平衡前”系指反应产物还没有达到热平衡的时间段，不论是多么短暂。这些产物包括能量发射，诸如载流子；一般与光分波的晶格振动和与声分波的类似波长和能量的振动相关的高频声子；及激发态的化学产物类。

在发现这些快速的能量发射途径之前，催化过程产生的能量，例如热的吸收和热的形成都被认为是与平稳状态相关的热。确实，在数十毫微微秒之后，载流子发射就热能化，并且在数微微秒至数百微微秒之后声子发射就热能化。

发明内容

在本发明的一个实施例中，由在簇或超微结构的簇催化剂表面之上或者之内的化学活动及反应，诸如电子-空穴对之类的载流子的发射，转换成电动势。在一个实施例中，在催化剂和半导体之间形成的诸如P-N结二极管和肖特基二极管之类的半导体二极管用于实现这种转换。二极管设计用于收集弹道载流子并且可以是肖特基二极管、PN结二极管或者由各种金属-半导体-氧化物结构的结合形成的二极管。中间层氧化物厚度优选地小于与适当的载流子(例如空穴或电子)的能量丢失相关的特定弹道平均自由行程。把所述二极管放置得与催化剂的超微层或者超微簇接触或者在其附近，数量级约小于源于催化剂内的适当弹道载流子的平均自由行程的距离之内。在一个实施中，二极管邻接催化剂簇，而在另一个实施中，二极管处在催化剂下，作为一种基底。

载流子弹道地通过可能超过适当制造的半导体结的宽度的距离，类似于热离子效应。然而，与热离子效应不同，本发明情况下的载流子不需要有大于有关材料的功函数的能量。载流子的移动被捕获成为结的两侧之间的费米能级差，或者说化学势。产生的电压差与光电收集器的电压差无区别。然而，载流子把自身迫入价带或者导带，并且此循环提供对立物空穴或电子。

本发明还提供装置和方法用于把催化反应产生的能量在能量热化前转换成机械运动。在一个实施例中，转换得到的运动用于对抗阻挡压力从而移动液压流体。

量子阱、原子平滑超点阵结构和纳米制造技术中的最新发展使得在一定程度上能够定制物理参数以利于特定的反应途径(载流子、声子、光子)或者说提高能量收集器的效率。

本发明所述的装置的工作温度可以低至数百度的绝对温度，这比常规的热光电系统和热离子系统的典型工作温度(1500到2500度绝对温度)要低得多。而且使用本发明所述的平衡前发射可最终达到的单位质量的功率和单位体积的功率超过燃料电池、常规的热光电系统和热离子系统的单位质量的功率和单位体积的功率。

而且，与需要复杂的管路的燃料电池比较，本发明的装置能够在同样的管路中混合燃料和气体，从而简化了管路的要求。

高体积和质量功率密度、简单化、及较低工作温度的总成使本发明的方法和装置有竟争力并且有独特的用处。

本发明的一个实施例涉及一种发电的方法，包括：在催化剂的表面上形成高度激发态的物类，从而辐射电磁能量；并且把电磁能量用光电收集器转换成电。

本发明的另一个实施例涉及一种产生电磁能量的方法，包括：在催化剂上形成高度激发态的物类；和激励该物类以发射电磁辐射。

本发明的又一个实施例涉及一种用于发电的装置，包括：一种催化剂，和一种基底，其中催化剂安排在基底上，并且基底包括一种基底二极管用于从催化剂接收载流子，其特征在于，在引入与催化剂接触的一种燃料和一种氧化剂后，通过催化剂发射载流子，并且跨基底二极管出现电位。

本发明的又一个实施例涉及一种用于发电的装置，包括：一种催化剂；和一种基底，其中所述催化剂安排在基底的表面并且基底包括一种压电元件，其特征在于，催化剂与经压电元件移动的反应剂相互反应产生声子，结果压电元件上出现一个电位。

本发明的又一个实施例涉及一种用于发电的装置，包括：一种催化剂；一种基底，其中催化剂安排在基底上；和光电转换器，所述光电转换器被放置在对有关催化剂的反应发射的辐射可视的任何位置。

本发明的又一个实施例涉及一种发电的方法，包括：利用一种反应剂在其附近形成振动赋能物类；和在振动赋能物类达到热平衡前将振动赋能物类的振动能转化为一种能量形式。

附图说明

图1示出本发明所述的用于发电的装置的一个实施例的剖视图；

图2示出用于把催化反应释放的能量转换成机械功的一个实施例的剖视图；

图3示出用于压电效应发电的装置的一个实施例的剖视图；

图4示出本发明所述的用于发电或者产生辐射束的装置的一个实施例。

具体实施方式

图1示出本发明所述的用于发电的装置的一个实施例的剖视图。图1所示的装置包括一个安排在装置的上表面上的催化剂105，以与氧化剂分子103和燃料分子102进行接触。在图1所示的实施例中，催化剂105可以包含铂或者钯，氧化剂103可以包含空气而燃料102可以包含氢或者诸如甲烷或者乙烷之类的反应剂烃。废气分子104由催化了的反应产生。

图1所示的示例装置含有一对起载流子收集器作用的肖特基二极管，其中一个二极管113(“邻接的表面二极管)安排在装置的顶表面上，邻接催化剂105，而另一个二极管109(“基底二极管”)安排在基底108中，在催化剂之下。如图所示，在邻接表面二极管113和基底108之间安排一个绝缘层111。二极管109和113优选地含有一种双极半导体材料，诸如铟锗砷锑，该半导体材料具有优化选定运转条件的精选的组成。例如在催化剂表面上每厘米能量2340开合伸展振动的二次谐波给出0.58伏特的光子能量。(这匹配于最新开发的铟锗砷锑二极管的0.53电子伏特的能带隙，说明于G.W.Charache et al.，“InGaAsSb thermophtovoltaicdiode：Phsics evaluation，“Journal of AppliedPhysics，Vol.85，No.4，Feb.1999)。二极管109和113优选地有较低的势垒，诸如0.050至0.4伏特。

基底二极管109应当充分地正向偏置(例如，达3伏特)以把其导带和价带提高到催化剂105的费米能级之上，从而匹配催化剂表面上吸附的反应剂，诸如氧或者烃自由基的能级。这诱发由光子穿过势垒进入基底二极管的能量的共振。氧化物势垒或者损耗层区域的大小应当保持小于弹道传输的尺寸，后者在10毫微米的数量级。

诸如镁、锑、铝、银、锡、铜或镍之类的金属可以用于形成催化剂105和基底二极管109之间的中间层106。中间层106起提供催化剂材料和基底之间点阵结构参数匹配的作用，所述匹配转而提供一种平滑且平面的介面表面，用之构成一个由催化剂、中间层之上和之下的真空构成的量子阱结构。具有平滑的介面表面的量子阱结构改变沿朝向基底和真空的方向的电子状态的密度，从而提高有理想能量的电子的数量。催化剂和中间层的厚度应当小得足以让载流子进行弹道传输。此尺寸典型地小于20毫微米。在当前的技术条件下可以达到厚度小于0.5毫微米的量子阱结构。量子阱结构可以构成为岛，就像在一个表面上的贴饼似的(也称为“量子点”)。

图1的装置还可以包括一个安排在基底二极管109和催化剂105之间的不导电层107。该可由氧化物组成的层107，可使二极管109能够正向偏置而不显著地增加正向电流。层107为这种正向电流提供了一个势垒。也可以在催化剂105和表面二极管113之间的装置表面上安排一个可选的氧化物114。

电接点101、110和112安排如图1所示。接点101和110起基底二极管的电输出引线的作用。接点101和112是表面二极管的电输出引线。

在图1的装置中，催化剂层105含有一个量子阱(包括量子点)，其厚度典型地小于20毫微米，并且小得足以改变催化剂中的电子态密度以利于产生基本上单能级的空穴或者电子。基底二极管109和催化剂105可以由一个金属中间层106分开，该层使催化剂的点阵结构参数与该中间层匹配。催化剂105和中间层106含有量子阱。中间层106应当足够地薄从而使得能够无能量改变地向二极管内传输电子。中间层106的厚度应当优选地小于20毫微米。

在本发明所述的装置的一个实施例中，基底二极管109含有一个n型直接能带隙半导体，它具有一个精选的以利于能量电子发射的能带隙。

在另一个实施例中，催化剂层105的厚度或者簇尺寸(如果安排成簇)足够地小，从而使得能够出现能带隙、离散的电子态和与团块的同样材料不同的催化剂特性。在此情况下催化剂105优选地可以含有金、银、铜，或镍并且可以安排成单层，200个原子的簇。

图2示出本发明所述的装置的一个实施例，其中由在催化剂表面、簇或者超微结构之上或之内的吸收反应和键合反应产生的声子发射转换成液压传动液的压力。

根据本发明，进入催化剂体的第一侧上的声子所产生的压力形成一种声子波，该波可以由催化剂(或者其上可设置催化剂的基底)的几何形状引导，从而声子移动到基底的另一侧并且向液体传递压力。此行程的厚度应当小于声子方向基本上保持不受扰动的平均距离。声子达到一个角度(“入射角”)使得达到的声子的定向且不对称的压力表现为催化剂体另一侧上的波动，该波动推挤诸如液体金属或者说牺牲介面的流体，引起它沿平行底表面的方向运动。由于波动或者沿装置的底表面的定向冲击，在壁和流体之间表现出一种表象负磨擦系数。

示例的装置含有一个基底202，该基底有一个具有锯齿形状的顶表面和底表面，如图2的剖面图所示。底表面与液压传动流体204接触。如图2所示，基底可以想像成含有多个有矩形截面并且相对于液压传动流体204成角度地彼此邻接安排的子结构200。

在基底的顶表面上，每个子结构200包括一个含有催化剂的层201。在邻接的子结构之间的一个暴露的侧表面上，每个子结构200包括一个对催化剂和反应剂呈惰性的材料层202。每个子结构体含有一个基底203，该基底也起声子波导的作用。铂可以用作催化剂层201并且可以用作基底203，以空气为氧化剂，乙醇或者甲醇作烃反应剂燃料，用水或者汞作液压传动流体204。液压传动流体还可以用作装置的冷却剂，从而能够进行高功率密度的运转。

催化剂201和基底203可以含有同样的材料，例如铂。基于结构考虑、生产能力和/或阻抗匹配，还可以使用其它的基底材料，从而使声子进入液压传动流体中的传播最高。

铂催化剂层201的厚度和基底203的厚度应当小于光分波声子或者高频声分波声子的能量改变平均自由行程，所述行程至少为10毫微米数量级并且可以大到1微米。

超微结构制造方法可以用于在基底202的表面上形成锯齿形状，一个单元的这种形状的尺寸大到一微米。

通过如图所示，例如在顶表面的锯齿形状的右侧小面上放置惰性层202，从而为反应并且由此为声子的传播建立优选的方向，如图2的箭头所示。

在催化剂一侧的声波、超声波或者千兆赫的瑞利声波(Rayleighwaves)可以用于促进反应速度和同步声子的发射。所述的波增加声子发射的幅度，并且引起相干发射，大大地加强峰值功率和平均功率。

在另一个实施中，在基底和流体之间安排一个或几个材料薄层。这些层在基底202和液压传动流体204之间有声阻抗的材料，从而使向液压传动流体204传递的动量最大并且使反射回基底204内的最小。材料应当选择为材料的团块模数和声子传播特性使得从基底发出的声子基本上以最小的反射和能量损失传输进流体。

在本发明所述的另一个实施中，由催化剂反应产生的声子发射在声子撞击材料时通过在材料内的压电效应转换成电流。这样的装置的一个实施例示出在图3中。

图3所示的示范装置含有一个安排在压电元件303上的催化剂层301，压电元件303转而安排在支撑基底304上。催化剂层301可以实施成超微结构簇，超微结构层或者量子阱。根据本发明，在其上设有一个电位的压电元件303的两相对端设有电引线302。在图3所示的示例实施中，催化剂层301含有铂，以空气为氧化剂，以乙醇或者甲醇为烃反应剂燃料。压电元件303可以含有任何压电材料，包括非平常压电的半导体，诸如铟锗砷锑半导体。在半导体和铂之间的点阵结构不匹配产生一种应力，一般地称为形变势，它包括半导体中的压电特性，或高非线性铁电或压电材料，诸如BaTiO₃或SrTiO₃薄膜、AlxGa1-xAs/GaAs和P-i-n结构的铟锗砷/锗砷(III)B量子阱受压层。

在压电元件303含有半导体时，半导体成为一种把光子转换成电、把电子收集成电，并且把声子转换成电的二极管元件。

在图3所示的实施例中，在反应剂与催化剂层301相互反应时，由反应产生的声子传导进压电材料303。结果在压电材料303的电接点302处诱发出电位。

基底304的几何形状优选地聚焦声子，从而加强压电元件303的非线性。这得到高频声子的自整流作用。在实施例中，压电元件303优选地受弯曲并且成形得象透镜或者同心反射体，从而把催化剂产生的声子聚焦在压电材料上。声子的聚焦在焦点引起较大幅度的原子运动。由该聚焦诱发的原子运动导致压电材料变得非线性，引起非线性响应，比如在材料的焦点中发电。这转而使压电材料变成为声子诱发的高频电流的整流器。

声波、超垢波或者千兆赫的瑞利声波(Rayleigh waves)可以在图3所示的示例装置的催化剂一侧使用以促进反应速率和同步声子的发射，用于加强声子发射的幅度并且用于引起相干发射，极大地加强了发送到压电材料303的峰值功率和平均功率。瑞利声波加速铂催化剂表面上的氧化反应。可以用一个发生器(未示)在催化剂301的表面产生表面声波。这种波可以具有声波、超声波或者千兆赫的频率。瑞利波诱发反应从而同步反应，这转而同步声子的发射。这结果是反应的脉动集束，这加强了发送至压电材料303的功率。

图3所示的装置的工作频率优选地在千兆赫范围及以下，从而由压电材料303产生的交变电流可以用常规的手段获得，诸如用半导体二极管获到。

在本发明的另一个示例实施中，电磁波辐射，诸如由激发态产物如高度振动激发的基团和最终产物发射的红外线光子，光电地转换成电。强化的辐射发射用于从激发态产物提取能量，诸如在催化剂表面和由此脱附的高度振动地激发的基团和反应产物分子。提取的能量以红外线的相干束或者超辐射束或者光能的形式表现。辐射的频率和反应物的正常模式振动的基频(振动量子数改变1)或者谐波频率(振动量子数改变2或以上)一致。在本发明中可以同时地提取几个不同的频率。尽管得到的相干束本身即可使用，这个高强度的束还可以光电地转换成电。根据本发明，这种发射通过在催化剂表面的反应产生，并且通过使用光穴加速。图4示出一个进行这种转换的电发生器的实施例。

图4所示的装置含有一或者多个基底401，其上用多个岛、超微结构、量子阱簇或者量子点安排一个催化剂402。催化剂簇充分地间隔开(例如数十毫微米或以上)，并且基底做得充分地薄(例如，小于一个厘米的总光学厚度)，从而特定发射频率处减轻红外线吸收。在基底401上的催化剂簇的集合基本上对反应辐射透明。催化剂402优选地是铂或者钯。装置优选地含有多个迭叠的基底401从而能够有一定的反应容量。

催化物基底迭叠401/402封闭在一个有高度反射性的元件403和一个有较低反射性的元件404的光腔中，安排得如图4所示。光腔和催化剂基底迭叠401/402优选地对反应辐射及其谐波共振。光腔可以用于促进谐波辐射，即量子数改变是2或者以上处的多极辐射，以增加辐射的能量。光腔优选地有多个频率，如在法布里-珀罗(Fabrey-Perot)谐振腔中那样，转为特定频率的谐波。

诸如氢、乙醇或者甲醇之类的燃料407和诸如空气之类的氧化剂408被引入在光腔中，在此它们与催化剂-基底迭叠401/402相互反应。燃料的低含量混合物可以用于减少激发态振动能量共振转变、交换或衰减为排出流中的同样化学组成的其它物类，在此时这些物类在光腔中并且光电转换器405收集辐射并且把它转换成电。

一个加强的发射发起器和同步器装置412用于发起和同步光腔中的发射。装置412可以是一种通常的市售加强发射振荡器并且可以用公知的方式耦连到本发明的装置中。光腔可以用公知的方式设计以产生辐射的加强放射。光电池在转换长波红外线光子(每厘米1000至5000)催化反应特征方面典型地不是非常有效的。装置412的高峰功率输出补救这种情况，使红外线光电池更有效。

光电转换器405放置在催化剂-基底叠401/402的容积之外对发射的辐射任何可视处。这种位置放置使之能够用公知的方法冷却光电收集器405。光电收集器405的输出引线406可以经一个二极管410耦连到电能储存装置411。光电转换器405的输出以典型地高于一兆赫的脉冲频率脉冲。电能储存装置411可含有，例如，一个电容器、超级电容器或者蓄电池。假定脉冲输出的是高频，一个用作储存装置411的电容器可以是相当小型的。电容器仅需要大得足以收集单个脉冲的能量。从而储存在电容器中的能量可以小于转换器405在一秒钟输出的能量的数千分之一。

在催化剂表面上的化学反应使谐波能够迁移，因为它们是迁移的“阶梯”的一部分，并且因为在催化剂表面上的强极化，强极化使所有的迁移能够有非零的偶极辐射迁移阵列元件。还有，反应剂没有与气体中的游离分子相关的的旋转污染，因为它们附着在表面并且不能旋转。这些特征使得能够通过强化发射辐射得到接近单次谐波的谐波光放大。

如图4的实施，通过激励特定物类所辐射的电磁能可以形成为高亮度的、准单色、多色辐射或者相干束。

在以上所述的包括光电半导体的实施中，催化剂优选地在高表面功率密度运转，例如超过每平方厘米10瓦特的功率密度，或者至少每平方厘米一瓦特的峰值表面功率密度，以加强光电半导体的效率。

Claims (16)

1.一种用于发电的装置，包括：

一种催化剂，和

一种基底，其中催化剂安排在基底上，并且基底包括一种基底二极管用于从催化剂接收载流子，且

所述基底二极管正相偏置，从而把其导带提高到催化剂的费米能级以上，

催化剂包括量子阱和量子点中的至少一种，量子阱和量子点的厚度充分地小，从而利于产生基本上单能量的空穴或电子，且

在引入与催化剂接触的一种燃料和一种氧化剂后，通过催化剂发射载流子，并且跨基底二极管出现电位，

所述燃料包括反应剂烃、乙醇、甲醇或者氢中的至少一种，且

所述催化剂包括铂、钯、金、银、铜及镍中的至少一种。

2.权利要求1所述的装置，其特征在于，含有一种安排在基底二极管和催化剂之间的不导电层，其中不导电层能够控制基底二极管的正向偏置和正向电流特性。

3.权利要求1所述的装置，其特征在于，含有一种表面二极管，该表面二极管安排在催化剂的反应剂一侧用于接收和捕获电子。

4.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基底二极管含有一种铟锗砷锑半导体。

5.权利要求3所述的装置，其特征在于，所述表面二极管含有一种铟锗砷锑半导体。

6.权利要求1所述的装置，其特征在于，基底二极管是肖特基二极管，该二极管具有大于催化剂表面上的反应能量的能带隙。

7.权利要求3所述的装置，其特征在于，所述表面二极管是肖特基二极管，该二极管具有大于键接的能量或者反应的能量的能带隙。

8.权利要求1所述的装置，其特征在于，基底二极管是肖特基二极管，该二极管具有一个高度在0.05至0.4伏特范围内的势垒。

9.权利要求3所述的装置，其特征在于，所述表面二极管是肖特基二极管，该二极管具有一个高度在0.05至0.4伏特范围内的势垒。

10.权利要求1所述的装置，其特征在于，含有一层安排在基底二极管和催化剂之间的金属，其中此层金属匹配催化剂点阵结构参数并且使金属和催化剂层能够形成为量子阱。

11.权利要求2所述的装置，其特征在于，所述催化剂厚度是一个毫微米或者以下。

12.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基底二极管包括一种n型直接能带隙半导体，该半导体具有一个利于能量电子发射的能带隙。

13.权利要求1所述的装置，其特征在于，催化剂的尺寸充分地小，从而有不同于同样材料的团块的特性。

14.权利要求1所述的装置，其特征在于，在装置的底表面上含有一种冷却剂。

15.权利要求1所述的装置，其特征在于，催化剂运转在大于每平方厘米一瓦特的峰值表面功率密度。

16.权利要求1所述的装置，其特征在于，含有一个电储存装置，所述电储存装置耦连到一个肖特基二极管，其中电储存装置包括一个电容器、一个超电容器和一个蓄电池中的至少一个。

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