УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КАТАЛИЗА

1. Способ выбора матрицы электрокатализатора на основе желаемого выхода продуктов, включающий:
воздействие на электрокаталитическую систему активного агента, растворенного или суспендированного в проводящем растворе; и
подачу напряжения в электрокаталитическую систему,
причем
напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц;
при этом электрокаталитическая система содержит
противоэлектрод; и
электрокаталитическую матрицу, содержащую
несущую подложку;
поверхностные структуры однородного размера, выступающие из поверхности несущей подложки; и
поверхностные структуры однородного размера, имеющие ребра и/или вершины, содержащие катализатор;
причем если поверхностные структуры однородного размера имеют микрометровый масштаб, то получают первое соотношение продуктов, и если поверхностные структуры однородного размера имеют нанометровый масштаб, получают второе соотношение продуктов, причем первое и вторе соотношения продуктов различаются;
для получения второго соотношения продуктов требуется электронный процесс более высокого порядка по сравнению с получением первого соотношения продуктов.
2. Способ по п.1, в котором активные частицы представляют собой кислород, а первым продуктом является пероксид водорода, если поверхностные структуры однородного размера имеют микрометровый масштаб.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором активные частицы представляют собой кислород, а первым продуктом является вода, если поверхностные структуры однородного размера имеют нанометровый масштаб.
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором ширина поверхностных структур в нанометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 25 нм до около 50000 нм.
5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором ширина поверхностных структур в микрометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 5 мкм до около 500 мкм.
6. Способ по п. 4 или 5, дополнительно содержащий пассивирующий слой, нанесенный между поверхностными структурами, чтобы обеспечить заданное воздействие на поверхностную структуру.
7. Способ по п. 4 или 5, дополнительно содержащий инертный или пассивирующий слой, нанесенный между поверхностными структурами, чтобы облегчить изменение соотношения продуктов.
8. Способ по п. 7, в котором инертный или пассивирующий слой располагается таким образом, чтобы его толщина позволяла регулировать относительное соотношение продуктов между вторым соотношением продуктов и первым соотношением продуктов.
9. Способ по п. 8, в котором чем больше толщина или увеличенная толщина инертного или пассивирующего слоя, тем ближе становится относительное соотношение к первому соотношению продуктов.
10. Способ по п. 9, в котором относительное соотношение между первым соотношением продуктов и вторым соотношением продуктов регулируется в соответствии с относительной толщиной или высотой инертного или пассивирующего слоя.
11. Способ по любому из пп. 6-10, в котором толщина пассивирующего слоя составляет от примерно 5% до примерно 95% высоты поверхностной структуры.
12. Способ по любому из пп. 1-11, в котором противоэлектрод содержит несущую подложку противоэлектрода и поверхностные структуры противоэлектрода однородного размера, выступающие из поверхности подложки противоэлектрода.
13. Способ катализа окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе, включающий:
воздействие на электрокаталитическую систему активных частиц; и
подачу напряжения в электрокаталитическую систему;
причем
напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц;
при этом электрокаталитическая система содержит
противоэлектрод; и
электрокаталитическую матрицу, содержащую
несущую подложку;
поверхностные структуры однородного размера, выступающие из поверхности несущей подложки; и
поверхностные структуры однородного размера, содержащие ребра и/или вершины, содержащие катализатор.
14. Способ катализации газообразования из активных частиц в проводящем растворе, включающий:
воздействие на электрокаталитическую систему активных частиц,
подачу напряжения в электрокаталитическую систему,
причем
напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц;
при этом электрокаталитическая система содержит
противоэлектрод; и
электрокаталитическую матрицу, содержащую
несущую подложку;
равномерно расположенные поверхностные структуры однородного размера, выступающие из поверхности несущей подложки;
причем равномерно расположенные поверхностные структуры однородного размера имеют ребра и/или вершины, содержащие катализатор;
причем скорость газообразования увеличивается по меньшей мере в 1,5 раза по сравнению с такой же матрицей электрокатализатора без равномерно расположенных поверхностных структур однородного размера, выступающих из поверхности несущей подложки.
15. Способ по п. 14, в котором скорость газообразования увеличивается с коэффициентом от 1,5 до 1000.
16. Способ катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе, включающий:
a. обеспечение электрокаталитической матрицы, содержащей
i. несущую подложку;
ii. поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки, причём поверхностные структуры содержат электрокатализатор;
iii. функциональную поверхность на электрокатализаторе, причём функциональная поверхность находится в верхней части поверхностных структур и при этом функциональная поверхность предназначена для контакта с активными частицами в проводящем растворе;
b. погружение поверхностных структур в раствор и введение в него противоэлектрода; и
c. создание тока или напряжения между электрокатализатором и противоэлектродом таким образом, чтобы плотность заряда (напряжение или ток) фокусировалась на функциональных поверхностях, и активные частицы подвергались реакции окисления-восстановления после контакта с функциональными поверхностями.
17. Способ по п. 16, в котором поверхностные структуры имеют однородный размер и по существу одинаковую геометрию.
18. Способ по любому из пп. 1-17, в котором поверхностные структуры выполнены из того же материала, что и несущая подложка.
19. Способ по любому из пп. 1-18, в котором катализатор наносится на верхнюю поверхность поверхностных структур и представляет собой материал, отличный от поверхностной структуры.
20. Способ по п. 19, в котором электрокатализатор наносится на менее, чем от примерно 50% до примерно 0,000001% поверхности матрицы, если смотреть сверху.
21. Способ катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе, включающий:
a. обеспечение электрокаталитической матрицы, содержащей
i. несущую подложку;
ii. поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки, причём поверхностные структуры содержат электрокатализатор;
iii. функциональную поверхность на электрокатализаторе, причём функциональная поверхность находится в верхней части поверхностных структур и при этом функциональная поверхность предназначена для контакта с активными частицами в проводящем растворе;
b. погружение поверхностных структур в раствор и введения в него противоэлектрода; и
c. создание тока или напряжения между электрокатализатором и противоэлектродом таким образом, чтобы плотность заряда (напряжение или ток) фокусировалась на функциональных поверхностях, и активные частицы подвергались реакции окисления-восстановления после контакта с функциональными поверхностями;
при этом окислительно-восстановительную реакцию выбирают из
выделения кислорода из воды,
выделения водорода из протонов,
окисления водорода до воды,
окисления водорода до протонов,
восстановления кислорода до воды,
восстановления кислорода до пероксида водорода,
диоксид углерода в монооксид углерода,
диоксид углерода в метанол,
диоксид углерода в карбоновую кислоту (например, муравьиную кислоту),
диоксид углерода в альдегид и/или кетон,
диоксид углерода в метан, этан, пропан и/или углеродные цепи более высокого порядка до C21;
окисления метана до метанола,
азота в гидразин,
азота в аммиак,
расщепления аммиака на водород и азот,
метана в метанол
нитрата в азот
нитрата в аммиак.
22. Способ по п. 21, в котором окислительно-восстановительная реакция включает ряд этапов, при этом промежуточное соединение не выделяется.
23. Способ по п. 21 или 22, в котором поверхностные структуры выполнены из того же материала, что и несущая подложка.
24. Способ по любому из пп. 21-23, в котором электрокатализатор наносится на верхнюю поверхность поверхностных структур и представляет собой материал, отличный от поверхностной структуры.
25. Способ по п. 24, в котором электрокатализатор наносится на менее чем от примерно 50% до примерно 0,000001% поверхности матрицы, если смотреть сверху.
26. Способ катализации газообразования из активных частиц в проводящем растворе, включающий:
воздействие на электрокаталитическую систему активных частиц; и
подачу напряжения в электрокаталитическую систему;
причем
напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц;
при этом электрокаталитическая система содержит
противоэлектрод; и
электрокаталитическую матрицу, содержащую
несущую подложку; и
поверхностные структуры однородного размера, выступающие из поверхности несущей подложки; и
причем поверхностные структуры однородного размера имеют ребра и вершины, содержащие катализатор; и
при этом скорость газообразования увеличивается по меньшей мере в 1,5 раза по сравнению с такой же матрицей электрокатализатора без поверхностных структур однородного размера, выступающих из поверхности несущей подложки.
27. Способ получения газа от электрода, включающий:
воздействие на электрод проводящего раствора, содержащего активные частицы; и
подачу на электрод напряжения, достаточного для восстановления или окисления активных частиц с образованием газа;
причем
электрод содержит наноструктурированную матрицу, содержащую
несущую подложку; и
пирамидальные поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки;
причем
каждая из пирамидальных поверхностных структур имеет основание, вершину и ребра между основанием и вершиной;
основание находится в контакте с несущей подложкой;
основание имеет размер самой длинной стороны от 50 нм до примерно 4000 мкм, вершину от примерно 1 нм до примерно 50 нм и расстояние между соседними вершинами от примерно 50 нм до 1000 нм; и
ребра и вершина содержат катализатор.
28. Способ по п. 27, в котором газ представляет собой водород, кислород или водород и кислород.
29. Способ по п. 27 или 28, в котором газ представляет собой водород, азот или водород и азот.
30. Способ по любому из пп. 27-29, в котором газ представляет собой аммиак.