(57)【要約】フェルミ準位のエネルギーを上昇させるために電圧を印加し、従って伝導バンドを占有し、場合によっては反応バンドを占有することによって、触媒の有効性が増強される。
2009515685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧でバイアスのかけられる導電性ゲートと、ゲート絶縁体と、前記ゲート絶縁体の上に配置された触媒物質とが存在する、化学反応を起こすための触媒装置。
【請求項２】
前記触媒物質が金属酸化物である請求項１に記載の触媒装置。
【請求項３】
前記触媒物質が半導体である請求項１に記載の触媒装置。
【請求項４】
前記電圧が前記触媒物質のエネルギー準位の分布を変化させる請求項１に記載の触媒装置。
【請求項５】
前記電圧のバイアスが前記触媒物質のフェルミ準位のエネルギーを変化させる請求項１に記載の触媒装置。
【請求項６】
前記電圧のバイアスが、前記触媒物質のエネルギー準位内の電子の分布を変化させる請求項１に記載の触媒装置。
【請求項７】
前記触媒物質が被占分子軌道及び空分子軌道を有する請求項１に記載の触媒装置。
【請求項８】
前記電圧のバイアスが前記分子軌道内の電子の数を変化させる請求項７に記載の触媒装置。
【請求項９】
ゲートバイアス電圧の印加によってエネルギー準位が変化する触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート電圧バイアスを介した触媒の効果の発生及び増強に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒は、反応速度を上昇させ、または、反応の活性化エネルギーを減少させ、そして、反応後には化学的に変化していない状態に戻ることが可能な物質である。触媒は、触媒が無い場合よりも高速または低エネルギーの代替機構を提供する。触媒はこの機構に関与はするが、化学反応中に消費されはしない。多くの触媒効果が機能するためには、その触媒効果が起こるために触媒層中の電子のエネルギーを基本的に上昇させる表面エネルギーが必要とされる。例えば、触媒効果を用いる金属酸化物センサ（例えば錫酸化物ＣＯ（一酸化炭素）センサ）は、触媒効果を起し、ＣｏをＣＯ２に酸化し、ＣＯガスを検出するために３００℃を超えるように加熱される必要がある。他の例は、ＴｉＯ２（チタン酸化物）であり、触媒効果を起すためにＵＶ（紫外線）で照射される必要がある。
【０００３】
触媒プロセスは一般的に標準的な経路に従う。液相または気相では、プロセスまたはソース分子が触媒の上に乗り、その後、分子を活性化する反応が起きる。活性化された種は他の分子または触媒と反応し、その後、触媒から離れる。触媒が初期反応で消費される場合には、後続の反応を介して環境中の他の分子からリフレッシュさせることが可能であり、触媒がその初期状態になる。
【０００４】
反応速度に影響を与えるファクターは多い。初期反応は、触媒及び反応分子を高温に加熱することによって、または、光や他の電磁エネルギーに晒すことによってもたらすことができる活性化エネルギーを必要とし得る。従って、触媒の有効性は、熱の印加（温度の変更）及び／又は光エネルギーの印加（触媒表面の反応物質または触媒の光励起）で増大するということが従来技術において示されている。加熱及びＵＶ照射における問題は、システム全体を複雑なものにすることであり、更には、システムを使用に適さないものにするまたはシステムの効率性を低下させてしまうものになる可能性さえあるということである。
【０００５】
【非特許文献１】Ａ．Ｃｈｒｉｓｔｏｄｏｕｌａｋｉｓ、Ｅ．Ｈｅｒａｃｌｅｏｕｓ、Ａ．Ａ．Ｌｅｍｏｎｉｄｏｕ、Ｓ．Ｂｏｇｈｏｓｉａｎ、“Ａｎ  ｏｐｅｒａｎｄｏ  Ｒａｍａｎ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  ａｌｕｍｉｎａ−ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ  ｏｘｉｄｅ  ｃａｔａｌｙｓｔｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｏｘｉｄａｔｉｖｅ  ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｅｔｈａｎｅ”、Ｊ．Ｃａｔａｌ．、２００６年、第２４２巻、ｐ．１６−２５
【非特許文献２】Ｍ．Ｂａｔｚｉｌｌ、Ｕ．Ｄｉｅｂｏｌｄ、“Ｔｈｅ  ｓｕｒｆａｃｅ  ａｎｄ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｓｃｉｅｎｃｅ  ｏｆ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ”、Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００５年、第７９巻、ｐ．４７−１５４
【非特許文献３】Ｌ．Ｊ．Ｂｕｒｃｈａｍ、Ｇ．Ｄｅｏ、Ｘ．Ｇａｏ、Ｉ．Ｅ．Ｗａｃｈｓ、“Ｉｎ  ｓｉｔｕ  ＩＲ，  Ｒａｍａｎ，  ａｎｄ  ＵＶ−Ｖｉｓ  ＤＲＳ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｆ  ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  ｖａｎａｄｉｕｍ  ｏｘｉｄｅ  ｃａｔａｌｙｓｔｓ  ｄｕｒｉｎｇ  ｍｅｔｈａｎｏｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ”、Ｔｏｐ．Ｃａｔａｌ．、２０００年、第１１／１２巻、ｐ．８５
【非特許文献４】Ｍ．Ｄ．Ａｍｉｒｉｄｉｓ、Ｅ．Ｅ．Ｗａｃｈｓ、Ｇ．Ｄｅｏ、Ｊ．−Ｍ．Ｊｅｈｎｇ、Ｄ．Ｓ．Ｋｉｍ、“Ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  Ｖ２Ｏ５  Ｃａｔａｌｙｓｔｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ＮＯ  ｂｙ  ＮＨ３：  Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｖａｎｄａｄｉａ  ｌｏａｄｉｎｇ，  Ｈ２Ｏ  ａｎｄ  ＳＯ２”、Ｊ．Ｃａｔａｌ．、１９９６年、第１６１巻、ｐ．２４７
【非特許文献５】Ａ．Ｈａｒｙａｎｔｏ、Ｓ．Ｆｅｒｎａｎｄｏ、Ｎ．Ｍｕｒａｌｉ、Ｓ．Ａｄｈｉｋａｒｉ、“Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｔａｔｕｓ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｂｙ  Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ  ｏｆ  Ｅｔｈａｎｏｌ：  Ａ  Ｒｅｖｉｅｗ”、Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｆｕｅｌｓ、２００５年、第１９巻、ｐ．２０９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態では、触媒層に対する電圧ゲートバイアスによって生じさせたエネルギー源を使用する。加熱やＵＶ照射や他のタイプの外部エネルギー源は、システムを複雑なものにし、さらにはその応用を使用に適さないものにする場合もあるという事実に対して、ソリッドゲートバイアスを使用することによって、触媒の応用が単純なものになり、また、コストを減少させシステムが小型化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ＣＯセンサ３００の場合である図３を参照すると、加熱の代わりに、６ボルトのゲートバイアスを用いて、触媒反応を促進することができ、結果としてＣＯガスが検出される。このセンサは、厚さ２５０ｎｍの熱成長シリコン酸化物膜３０３を介して短絡しないように絶縁されたＳｉバックゲート３０４の上に存在している。モリブデン薄膜３０２が、電子ビーム蒸着法を用いて、予めパターニングされた基板上に蒸着される。そのパターンは、堆積法やリフトオフ法等の標準的なフォトリソグラフィ法を用いて形成可能である。その後、この金属膜をモリブデン酸化物に変換して、これがセンサのアクティブ領域になる。その後、例えばチタンから成る伝導性コンタクトパッド３０１がフォトリソグラフィ法、リフトオフ法を用いて堆積させる。典型的には、このパッドは、標準的なトランジスタ構成におけるソース及びドレインと称される。パッド３０１にわたる電圧３０５はＶドレインであり、一方、バックゲート電極３０４上の電圧はＶゲートである。
【０００８】
電流計（３０７）を用いてソース及びドレイン電極（３０１）間の電流をモニタリングすることによって、ガスに晒されている間、センサ３００の導電性がモニタリングされる。本実施形態では、ガスは一酸化炭素（ＣＯ）である。センサの表面において、ＣＯガスが、大気または酸素の存在下における触媒による酸化反応によってＣＯ２に変換される。この酸化反応によって、導電性の変化として検出される金属酸化物膜３０２中の追加的な電子がもたらされるので、印加される電圧（３０５）が一定に保たれている場合には電流計（３０７）によって測定される電流の変化がもたらされる。この導電性の変化つまりはセンサの反応は、ゲートに印加される電圧３０６に依存する。触媒のアウトプットは、この触媒反応によって発生するＣＯ２ガスである。この反応は、ＣＯ２に変換されるＣＯ分子毎に提供される電子の結果として、触媒膜３０２にわたる導電性の変化としてモニタリングされる。一つの観点からは、センサはＣＯの存在を測定していることになるが、他の観点からは、センサはＣＯの存在下での触媒の性能を測定していることになる。従って、センサは実質的に、モリブデン酸化物触媒３０２の有効性を測っていることになる。触媒膜の導電性の変化が測定されない場合でも、この反応は生じている。
【０００９】
センサ３００の性能を図４に示す。負のゲート電圧によって、より感度の良いセンサになる。このグラフは−５Ｖ及び＋５Ｖという二つのゲート電圧での一酸化炭素に対するセンサ３００の反応性を示す。ＣＯに晒されると、センサ３００は、ゲート電圧が−５Ｖの場合により大きな導電性の増大を示し、図４にプロットされるようなコンダクタンスの増大がもたらされる。ゲートバイアスが＋５Ｖの場合には、センサ３００は顕著な導電性の変化を示さない。この結果から、負のゲート電圧及び室温で反応する非加熱センサを明示する。負のゲートバイアスは、温度を上昇させることと同じ様に機能する。負のゲートバイアスは、センサ３００のフェルミ準位を変化させ、ＣＯの触媒による酸化を促進する。
【００１０】
−６０゜ＦにおけるＣＯに対するセンサ３００の反応性を図５に示す。金属酸化物ガスセンサでは従来得られていないような低温における反応性が得られる。この非加熱ゲートセンサ３００は、このような低温においてもＣＯに反応する。これは、どのようにしてゲートバイアスが触媒システムの熱的な要求を排除することができるかということのもう一つの例である。更に、高温（例えば１５０゜Ｆ）と比較して、低温においてセンサの反応性の強度が増大することが観測された。このことは、センサが低温である場合にセンサ３００の表面上のＣＯの結合寿命が増大したことによる。表面上での検体の寿命が長くなればなるほど、ＣＯが酸化されてセンサがセンサの反応を示す機会が増える。反応性の増大は、このような低温でＣＯ２に酸化することを成し遂げる分子が増えることによる。つまり、センサ３００がより効率的になる。これと同じプロセスは、加熱されない場合でも効率の増大をもたらす他の触媒物質と相関があり得る。
【００１１】
この効率の増大の一部は、熱輸送及び反応エネルギー準位に関連している。（加熱された触媒の）熱い表面は、所定のシステム内部の温度差による拡散をもたらす。反応物質は、この加熱された表面に向かって拡散するにつれて、熱くなり始める。この反応物質は熱としてエネルギーを吸収するので、反応せずに拡散してしまう可能性が高くなる。非加熱のゲート触媒表面では、このような拡散状態が発生せず、反応が起こる傾向が高まる。
【００１２】
触媒を用いて、反応物質が生成物になるエネルギー準位（エネルギー障壁）を低下させるということは良く知られている。このエネルギー障壁は、物質のバンド構造内のエネルギー準位における電子の新たな占有率を発生させる熱の印加によって一般的には乗り越えられる。この新たな占有率のエネルギー準位では、触媒反応が起きる。電子の温度に基づく分布はフェルミ・ディラック統計に従う。フェルミ・ディラック分布関数は、利用可能なエネルギー状態（Ｅ）が所定の温度Ｔで電子によって占有される確率を記述する。この分布関数は、
ｆ（Ｅ）＝１／（１＋ｅ（Ｅ−Ｅｆ）／（ｋ（ｂ）Ｔ））
である。ここで、ｋ（ｂ）はボルツマン定数であり、Ｅｆはフェルミ準位のエネルギーである。半導体物質に対しては、Ｅｆは、電子がその最も低いエネルギーバンド（最高被占分子軌道（ｈｉｇｈｅｓｔ  ｏｃｃｕｐｉｅｄ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｏｒｂｉｔａｌ，ＨＯＭＯ））または、次に高いエネルギーバンド（最低空分子軌道（ｌｏｗｅｓｔ  ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｏｒｂｉｔａｌ，ＬＵＭＯ））を占有する確率を記述する。本発明の触媒の実施形態に関しては、二つのシナリオが考えられる。一番目のシナリオを図８に示す。多くの半導体物質においては、ＬＵＭＯとＨＯＭＯとの間のエネルギー差は、２〜３電子ボルトのオーダである。この大きなエネルギー差はバンドギャップと呼ばれる。ここで、ＨＯＭＯとＬＵＭＯとのことを一般的に価電子バンドと伝導バンドと名前を変更することにする。伝導バンドよりも高い或る反応エネルギー準位で反応が起きるバンドまたは軌道を考えてみる。ゲート電圧が印加されていない固有の設定では、価電子バンドに常に電子が存在している。しかしながら、電子が反応軌道に存在するために利用できる十分なエネルギーは存在しない。フェルミ準位のエネルギーを上昇させると、伝導バンドの電子の占有率が上昇する。反応バンドを得るために必要とされるエネルギー量に依存して、電子も同様にそこに存在し得る。温度及び光は、バンドギャップを超えることによって、価電子及び伝導バンドの電子の固有の占有率を上昇させることができる。これは、加熱された半導体触媒の場合である。ゲートバイアスが印加されると、フェルミ準位のエネルギーが上昇し、従って、伝導バンドを占有し、また、触媒を活性化する反応バンドを占有する可能性がある。これは、ゲートバイアスの印加を介した触媒の電子的応用を記述する。上述のフェルミ分布関数から、温度、ボルツマン分布またはフェルミ準位のエネルギーまたはおそらくこれらの組み合わせによって、エネルギー状態の占有を操作することができる。
【００１３】
もう一つのシナリオでは、ＨＯＭＯとＬＵＭＯとの間のエネルギー差が小さく、触媒反応が、例えばＬＵＭＯよりも高いエネルギーである他の分子において起きる。これを図９に示す。反応が起きるようにこのエネルギー準位を占有するためには、電子のフェルミ分布をシフトするエネルギーの入力がなければならない。エネルギーの入力は、フェルミ準位のエネルギーを上昇させるための光、熱（温度）またはゲートバイアスであり得る。これら三つの組み合わせも使用可能である。例えば、ゲートバイアスを同時に印加することによって、より低い温度を用いることができる。
【００１４】
本開示の範囲は、このセンサの観測された現象に限定されるものではない。触媒表面上に場またはゲートバイアスを印加することで、触媒表面または膜の有効性を増加させることができる。これは、バイアスの印加が触媒のエネルギー準位をシフトして、バイアスの印加無しでは利用できないものである反応分子の利用可能な空の状態（非占有状態）を作り出す結果である。
【００１５】
また、半導体触媒に依存する工業的な製造プロセスは多数存在する。
１．アクロレイン及びアクリロニトリルを生成するためのプロピレンの酸化／アンモ酸化を含むＳＯＨＩＯ（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｏｉｌ  ｏｆ  Ｏｈｉｏ）プロセス。この場合に用いられる触媒の一つは、ビスマスモリブデン酸化物であるが、多成分触媒（Ｂｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｅ等を含む）も使用される。典型的には、この触媒は３００℃〜４００℃で加熱される。
２．担持されたモリブデン酸化物（ＭｏＯ３／Ａｌ２Ｏ３）触媒はエタンの酸化的脱水素化に適したものであった。オレフィンに対する要求は、精製及び石油化学工業においていまだ課題である。オレフィンの生成に適用される従来の商業的方法はエネルギーを大量に消費するものであるので、より経済的なソースが模索されている（非特許文献１を参照）。
３．錫酸化物（ＳｎＯ２）は、一酸化炭素（ＣＯ）用の酸化触媒として用いられる（非特許文献２を参照）。また、ＳｎＯ２は、加熱金属酸化物センサの多くにおいて用いられる。
４．チタン酸化物（ＴｉＯ２）の多様な担体を備えたバナジウム酸化物（Ｖ２Ｏ３）は、メタノールのホルムアルデヒドへの選択的な酸化（非特許文献３を参照）及びＮＨ３によるＮＯｘの選択的な還元（非特許文献４を参照）のために用いられる。
５．亜鉛酸化物（ＺｎＯ２）は、エタノールのスチームリフォーミングを介したＨ２の生成に用いられる（非特許文献５を参照）。
【００１６】
触媒にゲート電圧でバイアスがかけられるか、または、触媒膜に電場が印加されると、このようなプロセスがより低温で起きることができより効率的になるか、または、反応生成物（たとえば上述の例１のアクロレイン及びアクリロニトリル）の生成をより完全なものにできる。
【００１７】
また、加熱されない場合には触媒物質が異なる生成物を生じさせる触媒反応プロセスも存在する。このような例では、通常の触媒では、キラル分子の鏡像異性体の混合物が生成される。触媒の活性化のための反応熱によって、キラル生成物の両方の鏡像異性体の形成を解消するのに充分なエネルギーが提供される。ゲートバイアスの印加によって、二つのキラル生成物の一方のみが生成されるのに充分な温度が減少し得る。また、触媒に対する熱の減少または排除及びゲートバイアスの印加は、生じる反応中間体の方向性を決め、従って、方向性の決められた化学機構による生成物が生じる。言い換えれば、触媒を用いて、反応を一つの方向または他の方向に向けることができる。これは、生体分子の生成または天然物の合成において役に立つ。
【００１８】
従って、ゲートバイアスまたは電場を半導体またはワイドバンドギャップ触媒膜に印加できるようにする他の構成が存在する。印加されるゲートバイアスの極性も重要であり得る。例えば、図３のＣＯセンサ３００の場合では、ゲート電極上の負のバイアスが用いられた。半導体触媒がｎ型であるかｐ型であるかに依存して、他のシステムは、正のバイアスで反応し得る。
【００１９】
図６は、触媒に電気的バイアスまたは電場を印加する他の構成を示す。図６では、触媒層６０４が、絶縁層６０５の上部に堆積されている。ゲート電極と呼ばれる導電性電極６０３が、絶縁層６０５の反対側に存在する。触媒膜の上方に懸架されているのは他のゲート電極６０２である。このゲート電極６０２は、絶縁体であるゲートスペーサーポスト６０１によって支持されている。ゲートバイアスが、懸架されたゲート電極６０２と下部ゲート電極６０３との間に印加される。Ｖゲートバイアスの方向は、触媒の物質と触媒によって促進される反応とによって、ケースバイケースで決められるものである。作動時には、このアセンブリは、ガスまたは流体に晒されて、反応が起きて、生成化学物質が形成される。触媒はこの反応を促進する。ゲート電極に対して適切なバイアスが存在することによって、触媒の性能が増強され、触媒に印加される熱や他のエネルギー（図６には図示せず）が減少し、より効率的なプロセスになるか、または、より多くの生成物が生成されることによって反応の収率が増加する。
【００２０】
図７は、図６と同様のものであり、バイアスがかけられた触媒の他の実施形態である。図７では、絶縁層が存在せず、触媒層７０２が、下部ゲート電極７０１の上面に直接堆積されている。ゲート電極７０３は、支持基板（図示せず）上の導電膜であってもよく、金属箔等の自立する導電シートであってもよい。懸架されているゲート電極７０３は、触媒表面の上方に配置され、ゲートスペーサー７０４によって支持されている。ゲートバイアスＶゲートは、下部電極７０１と懸架されている電極７０３との間にかけられる。Ｖゲートバイアスの方向は、触媒の物質と触媒によって促進される反応とによって、ケースバイケースで決められるものである。作動時には、このアセンブリは、ガスまたは流体に晒されて、反応が起きて、生成化学物質が形成される。触媒はこの反応を促進する。ゲート電極に対して適切なバイアスが存在することによって、触媒の性能が増強され、触媒に印加される熱や他のエネルギー（図７には図示せず）が減少し、より効率的なプロセスになるか、または、より多くの生成物が生成されることによって反応の収率が増加する。
【００２１】
このような構成は、多様な電極表面間の間にバイアスが維持可能である限りは、気相システムでも液相システムでも使用可能である。
【００２２】
従って、触媒の有効性は、熱の印加（温度の変更）及び／又は光エネルギーの印加（触媒表面の反応物質または触媒の光励起）で増大するということが従来技術において示されてきたが、触媒物質は、触媒にゲートバイアスまたは電場を印加することによっても有効性の増大（より高い触媒反応及びより高い生成物の収率）を示すことができる。
【００２３】
図２を参照すると、本発明の他の実施形態が示されている。メッシュの層２０１〜２０５のそれぞれは交互に、正及び負に、または、正及び接地（Ｖ２はゼロ）に、または、負及び接地２０９（Ｖ１がゼロの場合）にバイアスがかけられる。Ｖ１及びＶ２は同じ値でもあり得るし、異なる値でもあり得る。Ｖ１及びＶ２は、導電性メッシュの層２０１〜２０５に交互に直接接続されている。一実施形態では、これらの値は一定（ＤＣ）であるが、原理的には、時間と共に変化することも可能であり、または、反応モニタリング信号からフィードバックループで制御することも可能である。これは、反応を加速させるため、または、入力の化学的濃度の変更等の反応パラメータの変更として生成物の反応物質を修正するためである。反応モニタリング信号の例としては、図３、図４及び図５に関して説明したＣＯセンサにおける導電性の変化等の触媒自体の性質の変化や、プロセスの流れ（触媒の上流または下流）における一つ以上の化学物質の濃度や温度を測定するセンサからの信号が挙げられる。
【００２４】
粒子触媒２０７は、絶縁スペーサー２０６によって分割されている導電性メッシュ２０８の層の間の粒子のベッドである。粒子２０７は、バナジウム酸化物、錫酸化物または、他の半導体またはワイドバンドギャップ物質であり得る。粒子のサイズは１０マイクロメートルから１ｎｍ（ナノメートル）までの範囲であり得る。メッシュ２０１〜２０５は、触媒粒子２０７を収容するように設計されている。触媒粒子２０７は、異なる物質の混合物（例えばバナジウム酸化物と混合させた錫酸化物粒子）であり得る。触媒粒子２０７は、他の物質でコーティングされた一物質（例えばバナジウム酸化物でコーティングされたＡｌ２Ｏ３）でもあり得る。この構造を、反応プロセスを更に制御するために加熱または冷却することができる。作動時には、このアセンブリはガスまたは流体の流れに晒されて、反応が起きて、生成化学物質が形成される。触媒粒子２０７はこの反応を促進する。メッシュ電極２０１〜２０５に対して適切なバイアスが存在することによって、触媒の性能が増強され、触媒に印加される熱や他のエネルギー（図２には図示せず）が減少し、より効率的なプロセスになるか、または、より多くの生成物が生成されることによって反応の収率が増加する。
【００２５】
図１は、他の実施形態を示す。金属または導電性メッシュの層１０２〜１０５は、触媒膜１０６によってコーティングされている。層１０２〜１０５には互いに反対に電気的バイアスがかけられる。Ｖ１及びＶ２は同じ値でもあり得るし、異なる値でもあり得る。Ｖ１及びＶ２は、導電性メッシュの層１０２〜１０５に交互に直接接続されている。図２と同様に、Ｖ１及びＶ２は一定に保たれているが、原理的には、時間と共に変化することも可能であり、または、反応モニタリング信号からフィードバックループで制御することも可能である。これは、反応を加速させるため、または、反応パラメータの変更として生成物の反応物質を修正するためである。半導体またはワイドバンドギャップ触媒物質（例えば錫酸化物、バナジウム酸化物等）は、導電性メッシュ１０２〜１０５の一部または全体をコーティング１０６している。層１０２〜１０５は、同じコーティングを有してもよく、複数の交互のコーティングを有してもよい。層と同じ数の異なるコーティング物質が存在してもよい。それぞれの層のコーティングは、多数の物質から成ってもよく、一つのコーティングが他のコーティングの上面に存在してもよい。コーティングは粗いものでも滑らかなものでもよい。メッシュをコーティングする方法は多数存在する。本実施形態は、導電性メッシュをコーティングする方法には依存しない。ガスまたは流体の流れを加熱または冷却することによって、または、メッシュアセンブリを加熱または冷却することによって、アセンブリの温度を制御することができる。作動時には、このアセンブリは、ガスまたは流体の流れに晒されて、反応が起きて、生成化学物質が形成される。触媒コーティング１０６はこの反応を促進する。メッシュ電極１０２〜１０５に対して適切なバイアスが存在することによって、触媒の性能が増強され、触媒に印加される熱や他のエネルギー（図１には図示せず）が減少し、より効率的なプロセスになるか、または、より多くの生成物が生成されることによって反応の収率が増加する。
【００２６】
図１、２、３、６及び７に示される実施形態のいずれにおいても、触媒はチタン酸化物（チタニア）であり得る。チタニアは光触媒である。光触媒は、光で照射することによって活性化される触媒物質である。チタニア光触媒の有効性は、バイアス電位の印加によって増加可能である。光触媒物質は、導電性の金属層でコーティングされた担体から成る。その後、チタニアが、この導電性層の上に配置されて、スペーサーを用いてチタニア層の上方に配置され光に対して透明な導電性メッシュで覆われる。この物質は図７に示されているが、この応用においては他の構成もまた適用可能である。
【００２７】
チタニアは、ルチル相とアタナーゼ相とにおいてそれぞれ３．０３ｅＶと３．１８ｅＶのエネルギーギャップを有するワイドバンドギャップ半導体である。伝導バンドと価電子バンドとの間の電子の分布を決めるファクターの一つは、フェルミ・ディラック統計によって決められるものである。電子の分布はフェルミエネルギーの準位をシフトすることによって影響を受け得る。フェルミエネルギーの準位が特定のエネルギーバンド（例えば伝導バンド）に近づくほど、より多くの電子がこのバンドを占有するようになる。伝導バンドにより多くの電子が存在すれば、化学反応を起こすことができる電子がより多くなるということになる。フェルミエネルギーの準位を調節する方法の一つは、本願で開示されるようにバイアス電位を印加することである。上述のように、このことはまた、一つの生成物または他の生成物に向けての反応の方向性にも影響を与え得る。
【００２８】
フェルミエネルギーの準位に影響を与え、チタニア光触媒の有効性を増大させる他の方法は、ｎ型物質でチタニアをドーピングすることであり、例えば、チタニアドーピングされた安定化正方晶ジルコニア（ＴｉＯ［２］‐ＺｒＯ［２］‐Ｙ２Ｏ［３］）物質（ｎ型半導体）が製造される。この方法をバイアス電位を印加することと組み合わせることによって、相乗効果が得られる。
【００２９】
典型的に、チタニア光触媒を活性化させるためには、ＵＶが必要とされる。活性化エネルギーに対する要求を下げて、太陽光から一般的に得られる可視光を利用可能にするため、チタニアのバンドギャップを減少させることが必要とされる。これは、周知のように窒素でチタニアをドーピングすることによって達成可能である。従って、上述の増強方法の全てを利用するために、窒素ドーピングされた（ｎ型）チタニア物質を合成して、これをバイアス電位に晒すことになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態を示す。
【図２】本発明の一実施形態を示す。
【図３】本発明の一実施形態を示す。
【図４】ＣＯからＣＯ２への酸化に対する導電性の変化の測定結果を二つの異なるゲートバイアスの値に対して示す。
【図５】−６０゜Ｆでゲート電極上の−１０ボルトでのＣＯからＣＯ２への酸化に対する導電性の変化の測定のグラフを示す。
【図６】本発明の他の実施形態を示す。
【図７】本発明の他の実施形態を示す。
【図８】フェルミ準位の変化を示す。
【図９】フェルミ準位の変化を示す。
【符号の説明】
【００３１】
３００  ＣＯセンサ
３０２  モリブデン酸化物触媒
３０３  熱成長シリコン酸化物膜
３０４  Ｓｉバックゲート
３０７  電流計
【図１】
2009515685.tif 000003
【図２】
2009515685.tif 000004
【図３】
2009515685.tif 000005
【図４】
2009515685.tif 000006
【図５】
2009515685.tif 000007
【図６】
2009515685.tif 000008
【図７】
2009515685.tif 000009
【図８】
2009515685.tif 000010
【図９】
2009515685.tif 000011
【国際調査報告】
2009515685.tif 000012