[發明專利]電化學器件

無效

• 申請號: 200580033751.2
• 申請日: 2005-09-02
• 公開（公告）號: CN101065328A
• 公開（公告）日: 2007-10-31
• 發明（設計）人: P·A·克里斯滕森;N·G·賴特;T·A·埃杰頓
• 申請（專利權）人: GEN－X動力公司
• 主分類號: C02F1/467
• 分類號: C02F1/467
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所
• 代理人: 林柏楠;劉金輝

本發明涉及用于生成OH自由基的電化學器件，這種器件用于流體消 毒和/或解毒的用途。

OH自由基生成是發展中的用于水解毒的許多高級氧化工藝(AOP’s) 的核心(Advanced?oxidation?Processes?for?Water?and?Wastewater Treatment，Ed.S.Parsons，(IWA?Publishing，London，2004))。已經廣泛 報道了TiO₂基材料在紫外線輻射下生成OH自由基的能力，但是低的光催 化劑效率限制了這種工藝的技術開發。

盡管通過跨越TiO₂施加電場提高了OH生成效率，但即使用高功率紫 外燈，電流密度仍遠低于1mA?cm^-2(Rodriguez，J.等人，Thin?Solid?Films， 360，250-255(2000))。

本發明人已經發現，當TiO₂沉積在第二半導體上并被惰性金屬柵覆蓋 時，可以在不存在光輻射的情況下在TiO₂表面上生成OH自由基。所述柵 用于直接跨越TiO₂層施加電場。通過該器件的電流(被認為是在TiO₂表 面的OH生成速率的量度)明顯高于在傳統的紫外線輻射TiO₂電極中觀察 到的結果。

因此，本發明提供了電化學器件，其包括：

(a)半導體層，其中該半導體是硅或碳化硅，且其中該層具有1至 1000微米的厚度；

(b)在所述半導體層上的TiO₂層，其中該層可以包括堿土金屬氧化 物MO，其最多可達使得該層是MTiO₃的量，且其中該層具有5納米至1 微米的厚度；

(c)在TiO₂層上的惰性金屬柵，該柵排列為能夠施加跨越TiO₂層的 電場；和

(d)在所述半導體層上的歐姆接觸。

通過使用金屬柵和歐姆接觸對該器件施加電場，使得柵相對于半導體 負偏壓，在與含H₂O的流體(液體、氣體或蒸氣)接觸時在TiO₂層的表 面上產生OH自由基。

不希望受制于理論，但認為空穴從半導體層遷移到TiO₂層，并被電場 驅送至表面。直接在柵線下方生成那些空穴在到達柵時湮滅。未湮滅的空 穴與水反應以形成OH自由基：

TiO₂(h)+OH^-→TiO₂+OH·

半導體層

半導體層可以由硅或碳化硅制成。基于成本，硅通常是優選的，但碳 化硅片具有更有利的與TiO₂層的帶能匹配(band?energy?alignments)的 優點。此外，SiC是化學惰性的，這在某些用途中是有用的。

該層具有1至1000微米的厚度。厚度下限可以是10、100、200、300 或甚至500微米。厚度上限可以是900、800或甚至600微米。硅片通常具 有500至600微米的厚度，例如550微米。

如果晶片是硅片，其可以具有任何合適的晶體取向，例如(100)或(111)。 碳化硅片也是如此，例如(0001)。

半導體層上的歐姆接觸可以具有本領域中公知的任何合適構造。

TiO₂層

TiO₂層沉積在半導體層上，并可以含有堿土金屬氧化物(MO)，例 如SrO。MO的最大量使得該層為MTiO₃，但相對于TiO₂的摩爾量，MO 的量可以低于5％。在一些實施方案中，優選不存在MO，即該層僅僅是 TiO₂。

TiO₂層具有5納米至1微米的厚度。上限可以是2000、1500、1000 或。下限可以是100、200或。優選厚度范圍是100至

金屬柵

金屬柵包含惰性金屬。該金屬應該對該器件的使用條件是惰性的。合 適的金屬包括貴金屬，例如金、鉑。