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CN115335144B - 用于稳定和辅助等离子体燃烧的纳米级陶瓷等离子体催化剂 - Google Patents

用于稳定和辅助等离子体燃烧的纳米级陶瓷等离子体催化剂 Download PDF

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CN115335144B CN202080098875.3A CN202080098875A CN115335144B CN 115335144 B CN115335144 B CN 115335144B CN 202080098875 A CN202080098875 A CN 202080098875A CN 115335144 B CN115335144 B CN 115335144B
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Abstract

公开了用于应用到等离子体辅助的燃烧的呈陶瓷‑基质纳米复合材料形式的新的等离子体催化剂，所述等离子体催化剂包括纳米多孔晶片和固定在其上的结晶纳米晶须。纳米陶瓷等离子体催化剂的新功能由等离子体和固体的协同效应驱动。公开了基于阀金属氧化物、极性过渡金属氧化物、稀土氧化物和磷化物、碱金属氧化物、硅氧化物和氮化物等的组合的等离子体催化剂。组分之一具有铁电性能。多相催化和等离子体催化效应的组合的优点允许用于大面积应用的效用，并且对于大规模工业是可扩展的。

Description

用于稳定和辅助等离子体燃烧的纳米级陶瓷等离子体催化剂
技术领域
本发明涉及用于刺激和维持等离子体辅助的燃烧的等离子体催化剂，包括呈所谓的陶瓷-基质纳米复合材料形式的新的等离子体催化剂构型，并且公开了阀金属氧化物、极性过渡金属氧化物、稀土氧化物和磷化物、碱金属氧化物、硅氧化物、硅碳化物和氮化物的新组合，包括三元和更高元的复合物。
背景技术
低温部分电离等离子体(在下文中LTP)用于合成和重整物质、废物处理等的催化性质很好地确立并已经提供了用于工业的准许技术。通常，在LTP或所谓的非热等离子体中，离子对数量为109-1013cm-3，电子温度≤105K。LTP为非平衡等离子体，电子温度远高于离子和中性粒子温度。
使用基于放电、激光照射、超高频-特高频辐射、相对论电子束或放射性电离(radio-ionization)技术的常规的LTP产生设施以形成LTP。
现有技术的缺点主要是由于以下事实：等离子体产生设施是机电和/或光机电装置，具有复杂的用于能量形成等离子体导入的馈入装置(feedthrough)和外部高功率源，而不是自供电的，换言之，它们不能获取例如呈紫外-可见-红外(在下文中UV-VIS-IR)辐照带形式的燃烧的热能，热电地产生电，通过内部场增强发射和电子散射将电转换为真空紫外线-软X射线(在下文中VUV-软X射线)电离辐射带作为等离子体形成介质。
现有技术的缺点是难以缩放各种容量和尺寸的反应器的等离子体产生设施。
缺点与有限的功能相关，因为仅使用等离子体的催化性质，而不是可以从等离子体获得的协同效应和传输和/或分离能量以形成等离子体的表面的催化性质。
现有技术的代表性样品从以下文件中可知：US7592564B2–多辐射源的等离子体产生和加工(Plasma generation and processing with multiple radiation sources)；US7608798B2–等离子体催化剂(Plasma catalyst)；US2019321799A1–用于从甲烷催化非热等离子体生产氢气的介质阻挡放电反应器(Dielectric barrier discharge reactor forcatalytic nonthermal plasma production of hydrogen from methane)；KR20190092939A–用于去除其反应器的涂覆有光催化剂的氨填充料的等离子体-光催化剂反应器以及其填充料的制备(Plasma-Photo Catalyst Reactor for Removal of AmmoniaPacking Material coated with Photo Catalyst for the same Reactor andPreparation of the same Packing Material)；CN109999817A–Cu/ZnO-ZrO2固溶体催化剂及其辉光放电等离子体辅助的制备方法及应用(Cu/ZnO-ZrO2 solid solutioncatalyst and glow discharge plasma assisted preparation method andapplication thereof)；KR20180116952A–等离子体和催化剂类型的干重整装置和方法(Plasma and catalyst type dry reforming apparatus and method)；WO2009116868A1–在用于生产合成气的所述化合物的微波辅助的等离子体分解中使用含碱金属或碱土金属的有机材料和复合材料的方法(Process for the use of alkali metal oralkali earth metal containing organic materials and composites in themicrowave-assisted plasma decomposition of said compounds for the productionof syngas)；CN108895482A–通过放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器(Combustion flamestabilizer assisted by discharging plasma)。
欧洲专利申请EP3280230A1(Efenco公开于07.02.2018)涉及在载热体中产生等离子体以稳定燃烧和中和有毒产物的方法和其装置。所述发明目的是产生所谓的同步辐射束，具有合适的参数并且足够强大并且具有合适的光谱组成，其将被用作精细可配置的工具，用于燃烧产物的选择性电离，即，形成载热体的热燃烧气体。
发明内容
本发明的目的是产生等离子体催化剂，其是等离子体、固体催化剂的协同组合，它们的彼此的电物理相互影响(作为附加的增强因素)，并且呈用于燃烧室壁的衬里的纳米复合材料的形式体现，并且旨在引发和维持等离子体辅助的燃烧。
在本发明的上下文中，说明书和权利要求中提及的周期表中的IUPAC族和相应IUPAC族中的化学元素是指IUPAC在1990年采用的现代标准名称的族。2018年12月1日最新发布的IUPAC周期表。
阀金属是周期表中一些内部过渡金属的族，其展现阀作用性质，可以定义为当充当阴极时这些金属允许电流通过，但当充当阳极时，由于绝缘阳极膜的快速建立，它们阻止电流的通过。由于这种性质，这些被称为阀金属。它们包括：
-IUPAC第4族：第4族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括钛(Ti)、锆(Zr)和铪(Hf)；
-IUPAC第5族：第5族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括钒(V)、铌(Nb)和钽(Ta)；
-IUPAC第6族：第6族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括钨(W)；
-IUPAC第13族：第13族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括铝(Al)。
在本发明的上下文中，使用周期表中的IUPAC族和相应IUPAC族中的化学元素：
-IUPAC第1族：第1族的部分(碱金属)是周期表中的一族(列)化学元素，包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)和钫(Fr)；
-IUPAC第2族：第2族的部分(碱土金属)是周期表中的一族(列)化学元素，包括铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)和钡(Ba)；
-IUPAC第3族：第3族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括镧系元素；
-IUPAC第4族：第4族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括钛(Ti)、锆(Zr)和铪(Hf)；
-IUPAC第5族：第5族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括钒(V)、铌(Nb)和钽(Ta)；
-IUPAC第6族：第6族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括铬(Cr)、钼(Mo)和钨(W)；
-IUPAC第8族：第8族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括铁(Fe)；
-IUPAC第10族：第10族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)；
-IUPAC第11族：第11族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括铜(Cu)、银(Ag)和金(Au)；
-IUPAC第12族：第12族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括锌(Zn)；
-IUPAC第13族：第13族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)和铟(In)。
-IUPAC第14族：第14族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)和铅(Pb)；
-IUPAC第15族：第15族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)和铋(Bi)；
-IUPAC第16族：第16族的部分是周期表中的一族(列)化学元素，包括氧(O)、硫(S)和硒(Se)。
根据本发明的呈陶瓷-基质纳米复合材料形式的等离子体催化剂(在下文中等离子体催化剂)结合了若干种物理效应，主要效应是：纳米级铁电体中的热电效应、肖特基效应(Schottky effect)，场增强发射和到膜的电子散射，自由电子和光子的束的电离，相关过程之间自发出现的正反馈；以及所用物质的催化活性。
根据本发明的等离子体催化剂呈紫外-可见-红外(下文中UV-VIS-IR)辐照带形式进行燃烧的热能获取，热电地产生电，通过内部场增强发射和电子散射将电转换为真空紫外线-软X射线(在下文中VUV-软X射线)电离辐射带作为等离子体形成介质。
能量获取(也称作能量采集)是将例如在环境中(例如在燃烧室中)存在的燃烧过程中释放的环境能量转换为电能，用于在为自主电子装置或电路供电中的用途，并在本发明的上下文中用于在为根据本发明的等离子体催化剂供电中的用途。
根据本发明的等离子体催化剂是燃烧室的衬里，并且因此，使用将形成等离子体能量直接导入燃烧室内。等离子体催化剂的工作条件为数百摄氏度的温度和弱氧化和碱性环境。
等离子体催化剂包含若干个纳米量级材料的功能层，其中主要的层为：将入射的UV-VIS-IR吸收并转换为VUV-软X射线输出的层，包括结晶(多晶或多晶结构)和/或单晶(单晶结构)纳米晶须；纳米多孔晶片，作为用于沉积纳米晶须的基质；并且不存在特定晶片涂层下，晶片材料自身充当固体催化剂。
优选地，所述纳米量级材料为阀金属氧化物、极性过渡金属氧化物、稀土氧化物和磷化物、碱金属氧化物和氮化物、硅氧化物、硅碳化物和氮化物，包括三元和更高元的复合物，其根据功能性质和目的以明确的方式(通过化学式)组合并合成。
优选地，所述吸收和转换层是竖直排列的类钙钛矿多晶和/或单晶纳米晶须(在下文中纳米晶须)的阵列，具有/不具有附加的涂层并在晶片的孔内沉积。将纳米晶须定义为一维(1D)纳米晶体结构，具有1至100nm的直径和超过100的纵横比(长度比直径)。
优选的，所述纳米多孔晶片是包括自组织的、蜂窝样的和几乎单分散的纳米孔的阵列的平面平行板，其在两侧或仅一侧上开口并且定向垂直于晶片的上/底表面。晶片的尺寸是可扩展的并且取决于衬里和燃烧室的维度。
根据本发明的等离子体催化剂是用于燃烧室壁衬里的烧结的固体薄陶瓷砖。壁的衬里可以充当附加的预防热、氧化和碱性的屏障。
根据本发明的等离子体催化剂具有可扩展的结构；没有移动零件，自供电的并且固有地是可靠的。
本发明总体上被分类为具有热驱动的直接VUV-软X射线产生装置的等离子体催化剂，并因此不限于以上热能源。
根据本发明，提供了呈陶瓷-基质纳米复合材料形式的等离子体催化剂，所述纳米复合材料至少包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分包括纳米多孔晶片以及第二部分包括结晶纳米晶须。
在所述等离子体催化剂中，所述纳米多孔晶片包括周期表的IUPAC第4族、第5族、第6族和第13族的阀金属氧化物、硅/二氧化硅和碳化硅中的至少一种。
所述纳米晶须包括具有热电性质的类钙钛矿多晶和/或单晶铁电体、过渡金属、导电金属-氧化物-金属陶瓷或它们的复合物中的至少一种。
在优选实施方式中，所述第一和第二部分由呈多层薄膜或晶片形式的上盖覆盖。
优选地，所述上盖包括至少三层：
-催化剂网格；
-预防氧化和碱性的层；以及
-透明导电氧化物陶瓷层。
在等离子体催化剂的另一种优选实施方式中，所述纳米复合材料呈烧结的固体薄陶瓷砖形式。
在等离子体催化剂的另一种优选实施方式中，第一部分的所述纳米多孔晶片呈平面平行晶片形式，包括圆柱形的或V型群的自组织的、蜂窝样的和几乎单分散的孔的阵列，其在两侧或仅一侧上开口并且定向垂直于晶片的上/底表面。
在等离子体催化剂的另一种优选实施方式中，所述纳米多孔晶片是陶瓷，根据下式合成：
(Me4)I(Me5)J(Me6)K(Me13)L(Si)M(SiC)N(O)Z，
其中Me4是周期表的IUPAC第4族过渡金属的阀金属，
其中Me5是周期表的IUPAC第5族过渡金属的阀金属，
其中Me6是周期表的IUPAC第6族过渡金属的阀金属，
其中Me13是周期表的IUPAC第13族过渡金属的阀金属，以及
其中指数I、J、K、L、M和Z是每种类型的原子的数值比例；并且I、J、K、L、M和Z中的一个大于0，否则N＝1。
在等离子体催化剂的另一种优选实施方式中，所述具有热电性质的铁电体是类钙钛矿结晶纳米晶须，呈多晶或单晶形式，根据下式合成：
∑[(Me1-2)I(Me1-2)J](Me3)K∑[(Me4-6)L(Me4-6,8)M]∑[(Me4-6)N(Me12-15)R](sMe13-16)X(nMe14-16)Y(O)Z，
其中上标指数表示周期表的IUPAC族；
其中下标指数I、J、K、L、M、N、R、X、Y、Z表示每种类型的原子的数值比例；
其中∑[…]表示包括上标指数的一个或多个族的若干种元素的复合物的形成；以及
其中Me、sMe、nMe分别表示金属、类金属和非金属；以及
其中I、J、L、Z中的至少一个大于0，通常0≤I、J、K、L、M、N、R、X、Y、Z≤30。
本发明还包括等离子体催化剂作为燃烧室的衬里的组分的用途，所述衬里充当燃烧室壁的附加的预防热、氧化和碱性的屏障。
优选地，所述燃烧的衬里充当燃烧室壁的附加的预防热、氧化和碱性的屏障。
从本文提供的描述中，另外的适用领域将变得显而易见。该总结中的描述和特定实施例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于所选实施方式的说明的目的，而不是所有可能的实现方式，并不旨在限制本公开的范围，并且其中：
图1描绘了公开的实施方式的概要；
图2说明了纳米级铁电体钙钛矿中的尺寸驱动效应；
图3说明了电物理现象；
图4说明了等离子体催化中的协同效应；
图5说明了等离子体催化剂-LTP-固体催化剂相互作用；
图6说明了等离子体催化剂，陶瓷-基质纳米复合材料的总体结构构思；
图7说明了纳米多孔晶片，其结构和材料；
图8说明了纳米晶须，它们的结构和材料；
图9说明了上盖，其结构和材料；
图10说明了等离子体催化剂的晶片键合技术。
实施本发明的一种或多种方式
参考附图详细描述和说明了本发明。然而，本发明不限于上述的实施方式也不限于附图中说明的实施方式。存在可以根据本说明书和所附权利要求衍生和实施的其他可能的实施方式和典型特征的组合。
本文公开了本发明的至少一种示例性实施方式。应当理解，修改、替换和替代对本领域技术人员是显而易见的，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行。本描述旨在覆盖一种或多种示例性实施方式的任何装置或变体。此外，在本说明书中，术语“包括(comprise)”或“包括(comprising)”或“包括(include)”或“包括(including)”不排除其他要素或步骤，术语“一个/种(one)”或“单个/种(single)”不排除复数，以及术语“和/或”意指两者择一或两者。此外，已经描述的特征或步骤还可以与其他特征或步骤组合使用并且以任何顺序使用，除非描述或上下文另有建议。
为了更好地理解本发明和其实施方式的目的，首先给出本发明所基于的物理效应和现象的解释。
纳米级铁电体的热电性
当铁电体钙钛矿的维度实际上被限制为0-2D纳米级时，不再实施控制本体铁电体性质的定律。根据朗道-金兹堡-德文希尔(Landau-Ginzburg-Devonshire)的唯象理论和计算模型，可以使用维度效应微调极化值(热电系数)和铁电体纳米结构中的相变温度，因此为系统提供可调谐的巨大热电响应。
0-2D铁电体的电物理、光学和机械性质中的变化与表面张力的变化有关，表面张力在径向上引发内压。0-2D纳米结构中的内压随尺寸的减小而增加，例如，在呈纳米晶须形式的1D圆柱形晶体中，随半径而不是纵横比。压力的影响取决于相对于晶体轴线的极化的方向。
图2描绘了纳米晶须的尺寸驱动效应的曲线族。在图2中，a)和b)表明各种铁电体的居里温度TC和热电系数P(极化)对圆柱形纳米晶体的半径R的典型相关性，其中TC是从铁电相到顺电性的二级相变的温度。当极化矢量沿轴线定向时，TC和热电系数P(极化)随半径(直到临界半径RCR，在临界半径处有利于铁电性的远程相互作用变弱)的减小而增加，而对于垂直于轴线的极化，TC和P随半径的减小而减小。
场增强发射
图3，a)部分揭示了用于电子的场发射和场增强发射的条件。通常对于场发射，在发射表面上具有强度E～107V/cm(1V/nm)的电场对于通过表面势垒的电子隧穿是必要的条件。
事实上，在平面平行电极系统中获得具有强度为107V/cm的均匀电场是不可能的。例外情况是，当由于发射表面形状的变化(例如，使用纳米级圆柱体、锥形体等)产生不均匀场。因此，发射器-阳极系统的场强可以增加E＝γ·U，其中U是施加到发射表面的电压，以及γ(1/cm)是场增强因子。
图3，图b)示出同轴圆柱体系统的场增强因子γ(d,D)对直径d和在发射表面与阳极之间的距离D的相关性。如图中可以看出，如果场增强因子在2.3x104 cm-1≤γ≤2.6x106cm-1范围内以及施加到发射表面的电压为4V≤U≤450V，那么场强变为E≥107V/cm，其是用于电子的场增强发射的必要条件。
到膜的电子散射
图3，示意图c)和d)说明了在固体和多层膜中电子散射之间的差异。散射进入多层膜的电子具有更复杂的现象，不仅是由于层的不同物质，还由于在内部层间边界处的散射(布拉格效应(Braggs’effect))和层间交换相互作用。
在固体的情况中，到物质中的电子透入深度(电子径迹长度)RKO可以通过Kanaya–Okayama表达式估算，为：
RKO＝(0.0276·A·E0 1.67)/ρ·Z0.89，
其中A是原子质量；E0是初始电子能量；ρ是物质密度；以及Z是原子序数。在化合物的情况中(通过简化假设，多层膜可以被视为化合物)，将平均值带入计算。
X射线产生的深度可以通过Anderson-Hasler表达式估算，为：
RAH＝0.064(E0 1.68–EC 1.68)/ρ，
其中EC是吸收边(临界激发)能。
通常，电子路径使用基于蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟的数学模型技术计算。
等离子体和多相催化剂的协同效应
图4描绘了与评估各种催化技术在甲苯的破坏中的有效性相关的实验数据图。当将放电等离子体的催化性质与另外放置在化学反应器中的固态催化剂组合时，甲苯的破坏期间相对效率(产物产率)达到最大65％。
图5示出了等离子体催化剂-LTP-固体催化剂的系统中的相互作用机理。存在以下类型的相互作用：电离辐射–物质；等离子体–表面；复合等离子体辐射–环境；以及物质–多相催化剂。
VUV-软X射线电离辐射有效地产生了反应性自由基碎片以及振动地和电子地激发的物质。这些化学活性物质驱动反应动力学和路径，在气相中产生独特的结构，其不能以其他方式获得，至少不能以经济显著的方式获得。
等离子体周围存在的边界产生强梯度，在其中等离子体的性质剧烈变化。在这些边界区中，入射的VUV-软X射线辐射与等离子体相互作用最强烈，经常引起独特的反应。并且精确地在边界表面上，等离子体与表面发生复杂的相互作用。
通过等离子体中激发物质的复合生成的光子与等离子体中的其他物质或等离子体的边界相互作用，并且它们可以以UV-VIS-IR辐照度的形式退出等离子体。
基本上，对固体催化剂表面的氧化还原反应提出了三种反应机理：
-朗缪尔-欣谢尔伍德机理(Langmuir–Hinshelwood mechanism)(LH)是两个分子被吸附在相邻位点上，并且吸附的分子经历双分子反应；
-埃利-里迪尔机理(Eley–Rideal mechanism)(ER)认为催化剂表面上仅吸附分子中的一种并且另一种从气相直接与它反应，而不吸附；以及
-马尔斯-范克雷维伦(Mars and Van Krevelen)(MvK)机理假设反应的一些产物离开固体催化剂表面，带有催化剂晶格的一种或多种成分。
根据本发明的等离子体催化剂呈UV-VIS-IR辐照带形式进行燃烧的热能获取，热电地产生电，通过内部场增强发射和电子散射将电转换为VUV-软X射线电离辐射带作为等离子体形成介质。
根据本发明的等离子体催化剂体现为陶瓷-基质纳米复合材料，其基于以下的组合：阀金属氧化物、极性过渡金属氧化物、稀土氧化物和/或磷化物、碱金属氧化物、硅和/或硅氧化物、硅碳化物和/或氮化物，包括三元和更高元的复合物，呈具有/不具有附加涂层的至少一种晶片的形式。
图6描绘了等离子体催化剂的一种可能的可自由扩展的结构的实施方式的设计。等离子体催化剂是包括至少一种晶片(602)的复合材料，具有自组织的、蜂窝样的和几乎单分散的孔(603)的阵列，其中每个孔包含三种纳米晶须(604)或(605)或(606)中的至少一种。可能的是等离子体催化剂可具有晶片(602)的附加的上盖(601)和涂层(607)。
图7呈现了纳米多孔晶片(602)和涂层(607)的形式和材料。晶片包含单侧或双侧开口的孔，在第一种情况下，晶片具有所谓的残床(residual bed)，其在原始晶片材料的电化学加工后保持。此外，晶片可具有圆柱形或V型群的孔和附加的单侧涂层。晶片是阀金属氧化物、或硅/二氧化硅或碳化硅的陶瓷，通过下式合成：
(Me4)I(Me5)J(Me6)K(Me13)L(Si)M(SiC)N(O)Z，
其中MeXX是IUPAC第XX族过渡金属的阀金属；下标指数是每种类型的原子的数值比例；并且I、J、K、L、M和Z中的一个大于0，否则N＝1。
没有上盖(601)的晶片(602)，根据下式合成：
(Me4)I(Me5)J(Me6)K(Me 13)L(Si)M(O)Z，
其中，I、J、K、L、M和Z中的一个大于0，
并且是多相氧化还原催化剂，例如γ-Al2O3。晶片可以根据需要通过定制的式合成。
晶片涂层(607)是多层涂层，不包括任何或包括残床，和/或若干层根据下式的化合物的薄膜：
(Me3)I(Me4)J(Me5)K(Me6)L(Me10)M(Me11)N(O)Z，
其中，I、J、K、L、M、N和Z中的至少一个大于0。
纳米晶须族(604)、(605)和(606)在UV-VIS-IR辐照的吸收中起主要作用，热电地产生电，通过内部场增强发射和电子散射将电转换为VUV-软X射线电离辐射。
图8描绘了沉积到晶片(702)的孔内的纳米晶须族，并包括圆柱形或V型纳米晶须中的至少一种：
-纳米晶须(604)是类钙钛矿晶须或导电晶须中的至少一种；
-纳米晶须(605)是包括类钙钛矿晶须和导电晶须的复合材料；
-纳米晶须(606)是在两侧上包括类钙钛矿晶须和导电晶须的复合材料。
类钙钛矿纳米晶须具有均匀的或非均匀的结晶结构，并且存在根据以下通式合成的多晶或单晶形式：
∑[(Me1-2)I(Me1-2)J](Me3)K∑[(Me4-6)L(Me4-6,8)M]∑[(Me4-6)N(Me12-15)R](sMe13-16)X(nMe14-16)Y(O)Z，
其中上标指数表示IUPAC族；下标指数表示每种类型的原子的数值比例；
∑[…]表示包括上标指数的一个或多个族的若干种元素的复合物的(可能)形成；
Me、sMe、nMe分别为金属、类金属和非金属；并且I、J、L、Z中的至少一个大于0(例如LiNbO3–类钙钛矿晶格、均匀、单晶)，通常0≤I、J、K、L、M、N、R、X、Y、Z≤30，例如铌酸钡钠Ba2NaNb5O15类钙钛矿晶体。
导电纳米晶须材料是在数百摄氏度的温度下具有低电阻的过渡金属、金属-氧化物-金属(MOM)或所谓的透明导电氧化物(TCO)陶瓷中的至少一种。
图9描绘了上盖(601)，结构和材料。在使用上盖的情况下，根据图9a，它在波长范围内应当是透明的，并且可以呈薄膜涂层或晶片的形式。
作为薄膜涂层的上盖(601)至少包括催化剂网格层(901)、预防氧化和碱性的层(902)和TCO陶瓷层(903)。
根据以下通式，催化剂网格层(901)是过渡金属薄膜或MOM薄膜中的至少一种：
(Me3)I(Me4)J(Me5)K(Me6)L(Me10)M(Me11)N(O)Z，
其中，I、J、K、L、M、N和Z中的至少一个大于0。
当上盖(601)是Si晶片(904)时，它至少包括以下层：催化剂网格层(901)；预防氧化和碱性的层(902)和TCO陶瓷层(903)。
图10描绘了用于封装等离子体催化剂的晶片键合技术以及所使用的材料。在其中等离子体催化剂包含若干个晶片的情况中，封装可以以以下方式中的一种进行：
-胶粘剂键合，图10a；
-玻璃浆料键合，图10b。
胶粘剂键合技术是基于施加无机粘结剂和填料的特定混合物(1001)，其考虑晶片(601，602)和煅烧的胶粘剂(1002)的以下参数进行选择：
-使用的所有材料的热膨胀系数(CTE)的差幅不超过±5％；
-使用温度和键合压力不应当导致对任何等离子体催化剂组分的损伤；以及
-电导率。
玻璃浆料键合技术是基于使用有机粘结剂、玻璃粉末和如果需要导电填料的特定混合物(1003)，其考虑晶片(601，602)和玻璃(1004)的以下参数进行选择：
-使用的所有材料的热膨胀系数(CTE)的差幅不超过±5％；
-使用温度和键合压力不应当导致对任何等离子体催化剂组分的损伤；以及
-电导率。
呈陶瓷-基质纳米复合材料形式的等离子体催化剂是烧结的固体薄陶瓷砖，在其中没有移动零件，自供电的并且固有地是可靠的。
等离子体催化剂呈衬里形式放置于燃烧室内部，并且并行地可以充当室壁的热屏障。
对于本领域技术人员，显而易见的是本发明不限于附图中描绘的和上述描述的实施方式，而是在所附权利要求的范围内，许多其他实施方式是可能的。

Claims (7)

1.一种用于引发和维持等离子体辅助的燃烧的呈陶瓷-基质纳米复合材料形式的等离子体催化剂，所述纳米复合材料是至少包括第一部分和第二部分的结构，其中：
-所述第一部分包括纳米多孔晶片，以及
-所述第二部分包括结晶纳米晶须，以及
-所述纳米晶须在所述纳米多孔晶片的孔内沉积，
-所述纳米多孔晶片包括周期表的IUPAC第4族Ti、Zr、Hf的金属氧化物，第5族V、Nb、Ta的金属氧化物，第6族W的金属氧化物和第13族Al的金属氧化物，硅/二氧化硅和碳化硅中的至少一种，以及
-具有1至100nm的直径和超过100的纵横比的所述纳米晶须包括具有热电性质的类钙钛矿多晶和/或单晶铁电体、过渡金属、导电金属-氧化物-金属陶瓷或它们的复合物中的至少一种，其中所述纵横比为长度比直径，其中所述纳米晶须能够热电地产生电，通过内部场增强发射和电子散射将电转换为真空紫外线-软X射线电离辐射，
-其中所述第一和第二部分由呈多层薄膜或晶片形式的上盖覆盖，
-其中所述上盖包括至少三层：
-催化剂网格；
-预防氧化和碱性的层；以及
-透明导电氧化物陶瓷层。
2.根据权利要求1所述的等离子体催化剂，其中所述纳米复合材料呈烧结的固体薄陶瓷砖形式。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体催化剂，其中所述第一部分的所述纳米多孔晶片呈平面平行晶片形式，包括圆柱形的或V型群的自组织的、蜂窝样的和几乎单分散的孔的阵列，其在两侧或仅一侧上开口并且定向垂直于所述晶片的上/底表面。
4.根据权利要求1所述的等离子体催化剂，其中所述纳米多孔晶片是陶瓷，根据下式合成：
(Me4)I(Me5)J(Me6)K(Me13)L(Si)M(SiC)N(O)Z，
其中Me4是周期表的IUPAC第4族过渡金属的阀金属，选自包含Ti、Zr、Hf的组，
其中Me5是周期表的IUPAC第5族过渡金属的阀金属，选自包含V、Nb、Ta的组，
其中Me6是周期表的IUPAC第6族过渡金属的阀金属，选自包含W的组，
其中Me13是Al，以及
其中指数I、J、K、L、M、N和Z是每种类型的原子的数值比例；并且I、J、K、L、M和Z中的一个大于0，否则N＝1。
5.根据权利要求1所述的等离子体催化剂，其中所述具有热电性质的铁电体是类钙钛矿结晶纳米晶须，呈多晶或单晶形式，根据下式合成：
∑[(Me1-2)I(Me1-2)J](Me3)K∑[(Me4-6)L(Me4-6,8)M]∑[(Me4-6)N(Me12-15)R](sMe13-16)X(nMe14-16)Y(O)Z，
其中上标指数表示周期表的IUPAC族，
其中下标指数I、J、K、L、M、N、R、X、Y、Z表示每种类型的原子的数值比例，
其中∑[…]表示包括上标指数的一个或多个族的若干种元素的复合物的形成，
其中Me、sMe、nMe分别表示金属、类金属和非金属，以及
其中I、J、L、Z中的至少一个大于0。
6.根据权利要求5所述的等离子体催化剂，其中0≤I、J、K、L、M、N、R、X、Y、Z≤30。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的等离子体催化剂作为燃烧室的衬里的组分的用途，所述衬里充当燃烧室壁的附加的预防热、氧化和碱性的屏障。
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