[发明专利]电化学器件

说明书

本发明涉及用于生成OH自由基的电化学器件，这种器件用于流体消 毒和/或解毒的用途。

OH自由基生成是发展中的用于水解毒的许多高级氧化工艺(AOP’s) 的核心(Advanced oxidation Processes for Water and Wastewater Treatment，Ed.S.Parsons，(IWA Publishing，London，2004))。已经广泛 报道了TiO₂基材料在紫外线辐射下生成OH自由基的能力，但是低的光催 化剂效率限制了这种工艺的技术开发。

尽管通过跨越TiO₂施加电场提高了OH生成效率，但即使用高功率紫 外灯，电流密度仍远低于1mA cm^-2(Rodriguez，J.等人，Thin Solid Films， 360，250-255(2000))。

本发明人已经发现，当TiO₂沉积在第二半导体上并被惰性金属栅覆盖 时，可以在不存在光辐射的情况下在TiO₂表面上生成OH自由基。所述栅 用于直接跨越TiO₂层施加电场。通过该器件的电流(被认为是在TiO₂表 面的OH生成速率的量度)明显高于在传统的紫外线辐射TiO₂电极中观察 到的结果。

因此，本发明提供了电化学器件，其包括：

(a)半导体层，其中该半导体是硅或碳化硅，且其中该层具有1至 1000微米的厚度；

(b)在所述半导体层上的TiO₂层，其中该层可以包括碱土金属氧化 物MO，其最多可达使得该层是MTiO₃的量，且其中该层具有5纳米至1 微米的厚度；

(c)在TiO₂层上的惰性金属栅，该栅排列为能够施加跨越TiO₂层的 电场；和

(d)在所述半导体层上的欧姆接触。

通过使用金属栅和欧姆接触对该器件施加电场，使得栅相对于半导体 负偏压，在与含H₂O的流体(液体、气体或蒸气)接触时在TiO₂层的表 面上产生OH自由基。

不希望受制于理论，但认为空穴从半导体层迁移到TiO₂层，并被电场 驱送至表面。直接在栅线下方生成那些空穴在到达栅时湮灭。未湮灭的空 穴与水反应以形成OH自由基：

TiO₂(h)+OH^-→TiO₂+OH·

半导体层

半导体层可以由硅或碳化硅制成。基于成本，硅通常是优选的，但碳 化硅片具有更有利的与TiO₂层的带能匹配(band energy alignments)的 优点。此外，SiC是化学惰性的，这在某些用途中是有用的。

该层具有1至1000微米的厚度。厚度下限可以是10、100、200、300 或甚至500微米。厚度上限可以是900、800或甚至600微米。硅片通常具 有500至600微米的厚度，例如550微米。

如果晶片是硅片，其可以具有任何合适的晶体取向，例如(100)或(111)。 碳化硅片也是如此，例如(0001)。

半导体层上的欧姆接触可以具有本领域中公知的任何合适构造。

TiO₂层

TiO₂层沉积在半导体层上，并可以含有碱土金属氧化物(MO)，例 如SrO。MO的最大量使得该层为MTiO₃，但相对于TiO₂的摩尔量，MO 的量可以低于5％。在一些实施方案中，优选不存在MO，即该层仅仅是 TiO₂。

TiO₂层具有5纳米至1微米的厚度。上限可以是2000、1500、1000 或。下限可以是100、200或。优选厚度范围是100至

金属栅

金属栅包含惰性金属。该金属应该对该器件的使用条件是惰性的。合 适的金属包括贵金属，例如金、铂。