[发明专利]催化作用的电场增强性能及包含气体的固态装置

说明书

本申请要求2007年12月12日提交的序列号为61/013,287的美国临时申请的优先权，其整体在此引用作为参考，包括任何附图、表格或者图形。 

背景技术

电化学电池为离子导体之间两种电极材料的耦合，从而在离子导体、电极和气体之间的界面上发生电化学反应。电极材料通常为金属或者半导体而离子导体通常为电解质。电极还可包括混合的电子/离子材料。当前，钇稳定氧化锆(YSZ)正用作某些气体传感器和燃料电池的电解质材料。 

电化学电池可以以开路模式运行或者可用于随着向电池施加电流或者电压而驱动反应。在许多装置例如气体传感器和燃料电池以及应用例如电镀中使用电化学电池。电化学电池还用在将反应物转换为有用副产品的催化中。 

气体传感器为检测单种或者多种气体的浓度或者存在的装置。气体传感器可但不必包括电化学电池。没有电化学电池的气体传感器可被看作非电化学装置。气体传感器可具有用于检测气体的不同转换机制以及可通过检测多种气体而为多功能的。例如，可采用电位测量、电流测量、或者阻抗测量。多数气体传感器的一个问题在于其它气体的交叉干扰或者差的选择性。 

燃料电池为将化学能直接转换为用于在例如汽车和家庭的的应用中能耗的电能的装置。固体氧化物燃料电池(SOFC)为一种组合夹在至少两个电极之间的固体电解质的燃料电池，其中一个电极用作阴极另一个电极 用作阳极。燃料电池还可组合为层叠组件以增大功率输出。在电解质为阳离子导体的情形，氧气在阴极反应并在氧气与例如H₂或者CO₂的燃料发生电化学反应的地方通过作为离子的电解质被输送阳极以产生电能。 

在利用电化学电池的某些装置中，组合非法拉第电化学改性的催化活性(NEMCA)效应用于通过对电化学电池中的电极直接施加电压或者电流而增强催化反应。 

在催化作用中，反应动力学包括改变中间步骤速率的过程和反应中的其它过程。这些改变影响总的反应速率。 

反应能量学涉及激活反应步骤的许多不同能垒。例如，扩散障碍为一种类型的能垒。可通过对系统增加能量而克服这些能垒。通常热能用于克服这些能垒。 

反应路径为从初始反应物至最终产品时反应所遵循的步骤。反应所遵从的路径必须部分地与系统的动力学和能量学有关。吸附和解吸为气相分子被俘获(物理吸附)或者束缚至表面(化学吸附)的过程。这些过程还影响反应的动力学和能量学。 

表面弛豫包括整个吸附层的运动，而表面重构包括表面周期性的变化。两个过程都可改变反应进行的路径。表面动力学可涉及包括表面上动力学运动的过程，例如气体(相)分子与表面的碰撞或者物质在表面上的扩散。 

催化剂可作为电化学装置的部分存在或者位于用来或者为催化剂提供某种结构或者将催化剂分散在不同反应位置的“催化剂载体”顶上。 

催化反应的一个主要问题为“毒物”的存在所引起的削弱转换。“毒物”的存在还可对气体传感器、燃料电池和其它相关装置产生不利影响。毒物可阻挡吸附位置或者引起相位重构；后一种情形可由与例如来自电解质的氧气形成络合物的毒物引起并且可能接下来发生络合物的解吸。这一点可阻止某些依靠该氧气存在的机制发生，从而抑制该装置或者催化剂正常运行。 

发明内容

本发明的实施例涉及电场增强化学和/或电化学反应。可产生并成形电场以改变气体吸附和用于各种应用的其它化学反应。可采用作为有意偏置以产生电场的导电表面的电场电极提供所产生的电场。本发明的某些实施例可应用于气体传感器、燃料电池和其它电化学装置。此外，某些实施例可用于改进电化学促进反应(NEMCA)的性能和任何其它涉及至少一种气体物质的一般催化反应，例如乙烯氧化。根据本发明实施例设置的电场电极还可用于非电化学装置例如不用电解质的气体传感器。 

在实施例中，电场电极可应用于气体传感器。电场电极可设置为改进气体传感器的灵敏度、选择性、和响应时间。 

在一个实施例中，电场电极可被定位为施加与气体传感器的测量电极平行的电场。

在另一个实施例中，电场电极可应用于气体传感器以成形电场分布。在这样的实施例中，可相对于气体传感器的测量电极定位电场电极以相对于装置或者催化剂载体上的具体位置施加期望的电场分布。电场可相对于特定的局部反应区或者整个装置成形为垂直、平行或者其间的任何角度。此外，装置不同区域电场的相对强度可不同。在另一个实施例中，电场电极可应用于组合空气参比电极的气体传感器。