光譜化學制造技術

本發明專利技術涉及催化劑領域，具體涉及通過在反應體系中使至少一種光譜能量譜型用作光譜催化劑或光譜能量催化劑的方法。本發明專利技術公開了模擬各種環境的反應條件下反應體系中多種催化劑的多種作用原理，以及通過采用一個或多個環境的反應條件模擬、至少部分模擬一個或多個環境的反應條件的方法。本發明專利技術還公開了用于涉及設計或確定反應體系中所用的合適物理催化劑的方法。采用本發明專利技術的方法，可更精確地控制反應過程，提高反應的效率和選擇性。（*該技術在2021年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及新方法，該方法通過例如在反應體系中使至少一種光譜能量譜型(例如至少一個包含至少一種電磁輻射頻率的光譜譜型)暴露一個或多個參與者來影響、控制和/或定向反應途徑(例如有機、無機、生物或其它反應)，該譜型能用來對應至少一部分的光譜催化劑或光譜能量催化劑。本專利技術還涉及模擬各種環境的反應條件下反應體系中多種催化劑的多種作用機理。本專利技術通過采用一個或多個光譜環境反應條件進一步公開了模擬、至少部分模擬一個或多個環境的反應條件的方法。具體而言，本專利技術公開了獲取例如施加的能量和物質(如固體、液體、氣體、等離子體和/或其組合或其部分)間能量頻率匹配的不同方法，通過考慮反應體系中的多種能量因素，使能量轉移至例如反應體系中的至少一個參與者。本專利技術還公開了用于設計或確定反應體系中所用的合適物理催化劑的方法。
技術介紹
化學反應由能量驅動。能量以眾多不同形式出現，包括化學、熱、機械、聲學和電磁。各類能量的多種特征被認為是以不同方式為驅動化學反應作貢獻。不管涉及的能量類型，化學反應不可否認和逃脫不掉地與能量轉移和組合纏繞在一起。因此了解能量對了解化學反應是至關重要的。通過將能量以熱、機械、聲學和/或電磁形式加入到反應介質中，或通過物理催化劑轉化能量的方法能控制和/或定向化學反應。這些方法通常能量不是那么有效并能產生例如不需要的副產物、分解所要求的瞬變體和/或中間體和/或活化的絡合體和/或不足量的優選反應產物。一般認為化學反應是由反應分子間的碰撞產生的。根據化學動力學的碰撞理論，已預期反應速率與每秒分子碰撞數成正比。速率α碰撞數/秒此種簡單的關系解釋了反應速率依賴于濃度。此外，很少有例外，人們認為由于碰撞增加，反應速率隨著溫度提高而增加。反應速率常數k的關系式能用下列等式表示，即公知的Arrhenius公式k＝Ae-Ea/RT其中Ea是反應的活化能，是啟動化學反應所需的最低能量，R是氣體常數，T是絕對溫度，e表示以自然對數為底。A代表碰撞速率并表示速率常數與A成正比，并因此與碰撞速率成正比。進一步，由于指數Ea/RT前是負號，因此，速率常數隨著活化能提高而降低，并隨著溫度提高而提高。一般情況下，只有一小部分碰撞分子，通常是運動最快的分子具有足夠的動能超過活化能，因此現能解釋隨著溫度升高速率常數k增加。由于在較高溫度下存在更多的高能分子，因此在較高溫度下產物形成的速率也較高。但是隨著溫度升高，反應體系將引入許多問題。隨著熱激發，其它競爭過程如鍵裂可能在達到所需能量態之前發生。同樣，有許多分解產物經常生成極具反應性的片段，但由于熱力學的不穩定性它們的壽命如此之短，以至于優選反應可被抑制。輻射能或光能是可加入反應介質中的另一種形式能，也有一些負作用，但與熱能所產生的負作用是不同(或相同)的。體系中加入輻射能產生電子激發分子，其能夠進行化學反應。所有電子都在穩定軌道中的分子被認為是在電子基態。這些軌道可以是成鍵軌道或是非成鍵軌道。如果一個合適能量的光子與分子碰撞，光子可被吸收，其中一個電子可激發到具有更高能量的空軌道上。電子激發導致價電子在空間重新分布，同時核內構型發生變化。由于化學反應在很大程度上受控于這些因素，所以電子激發分子進行的化學反應與電子處于基態的分子所進行的反應截然不同。光子能量依據其頻率或波長定義，E＝hγ＝hc/λ其中E代表能量；h代表Plank常數，6.6×10-34J秒；γ是輻射頻率，秒-1；c是光速；以及λ是輻射波長。當光子被吸收時，其所有能量賦予吸收的物種。吸收后的初期行為依賴于入射光的波長。光化學研究光子，其能量位于電磁光譜的紫外區域(100-4000)和可見區域(4000-7000)。這些光子基本上是電子激發分子的起因。由于分子在吸收光后獲取了電子能量，在熱激發體系中相遇的不同的勢能表面發生反應。然而，采用已知光化學技術存在一些缺點，即因為采用寬帶頻率由此導致不需要的副反應、不適當的試驗和低的量子產率。下列專利顯示了一些良好的光化學實例。特別是頒布給Cooper等的美國專利5174877(1992)公開了用于光催化處理液體的裝置。尤其公布了紫外光輻射所制得的淤漿表面以活化淤漿中所含顆粒的光催化特性，淤漿的透明度影響了例如輻射吸收。此外，文中討論了適合取得所需光催化活性的不同頻率。另外，頒布給Brumer等的美國專利4755269(1998)公開了用于在已知能量水平離解各種分子的光離解方法。尤其是公開了可能的不同離解途徑以及由于選擇某種電磁輻射的不同頻率能跟隨出現不同的途徑。進一步公開了所用電磁輻射的振幅對應著制得產物的量。不同物種的選擇性激發顯示在下列三個專利中。具體而言，Rich等美國專利4012301(1977)公開了汽相化學反應，這些反應采用對應于連續流動反應物物種的振動方式被選擇性地激發。尤其是連續波激光發射出被反應物物種振動方式吸收的輻射。頒布給Wan等的美國專利5215634(1993)公開了將甲烷選擇性地轉化成所需的氧化態。尤其是甲烷在催化劑存在下被脈沖微波輻射將反應物轉化成所需的產物。公開的物理催化劑包括鎳，微波輻射采用約1.5-3.0GHz的范圍。頒布給Suib等的美國專利5015349(1991)公開了用于裂化烴生成裂化反應產物的方法。公開了烴流暴露于微波能量下產生低功率密度微波放電等離子體，其中將微波能量調整以獲得所需的結果。微波能量所需的特定頻率公開為2.45GHz。物理催化劑在本領域中是熟知的。具體而言，物理催化劑是一種改變化學反應速率而在最終產物中又不出現的物質。已知一些反應能因一些反應結束后本身保持不變的物質的存在而加速或受控。通過相對于不需要的反應增加所需反應的速度，使得與不需要的副產物比較，所需產物的形成能達到最大。通常只需要痕量的物理催化劑來加速反應。也已觀察到某些物質，假如加入痕量，能降低反應速率。這看起來是反催化，可實際上減慢反應速率的物質被稱為負催化劑或毒物。已知的物理催化劑經歷一個循環，其中它們使用和再生以便能夠一次又一次地使用。物理催化劑通過為反應提供另一條途徑而發揮作用，其能比沒有物理催化劑時具有較快或較慢的反應速率。在反應結束時，由于物理催化劑能復原，所以看起來物理催化劑不參與反應。但物理催化劑必定在某種程度上參與了反應，否則反應速率不會改變。催化作用歷史上已最早由Ostwald于約18世紀后期提出的五個基本步驟代表；1.擴散到催化部位(反應物)；2.在催化部位(反應物)形成鍵；3.催化劑一反應物絡合體的反應；4.在催化部位鍵裂化(產物)和5.從催化部位擴散(產物)。催化作用的精確機理在本領域中是未知的，但已知物理催化劑能加速反應，否則反應發生將太慢而無實際意義。已知的工業催化劑涉及許多問題首先，物理催化劑不僅能喪失效率而且喪失選擇性，之所以如此是由于例如過熱或催化劑的污染；其二，許多物理催化劑包括昂貴的金屬如鉑或銀并且只有有限的壽命周期，一些催化劑難以再生，貴重金屬不容易回收。還有許多與物理催化劑相關的物理限制，使得它們在許多反應中不是理想的參與者。因此，需要的是了解催化過程，以便通過更精確地控制眾多現已存在的反應過程以及開發完全新型的反應途徑和/或反應產物巧妙地完成生物處理、化學處理和工業加工等。這些了解的例子包括沒有下列缺本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種控制反應系統的方法，包括： 形成反應系統；和 用至少一種選自直接共振靶向、諧波靶向和非諧波外差式靶向的方法，靶向所述的反應系統。

【技術特征摘要】
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱莉安娜HJ布魯克斯，本特利J布盧姆，
申請(專利權)人：伯克希爾實驗室公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]