BR112016009762B1 - Dispositivo de conversão de energia para conversão de energia química em eletricidade - Google Patents

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Abstract

sistema e método de pré-equilíbrio usando dispositivos de estado sólido como conversores de energia usando materiais de rede porosos nanoprojetados. a presente invenção refere-se a um dispositivo de conversão de energia para a conversão de várias formas de energia em eletricidade. as formas de energia podem ser químicas, fotovoltaicas ou gradientes térmicos. o dispositivo de conversão de energia tem um primeiro e um segundo eletrodo. um substrato está presente que tem uma camada semicondutora porosa ou dielétrica colocada sobre ele. o próprio substrato pode ser planar, bidimensional ou tridimensional e possui superfícies internas e externas. esses substratos podem ser rígidos, flexíveis e/ou dobráveis. a camada semicondutora porosa ou dielétrica pode ser uma estrutura nanoprojetada. um material condutor poroso é colocado em pelo menos uma porção da camada semicondutora porosa ou dielétrica, tal que pelo menos um pouco do material condutor poroso entra na estrutura nanoprojetada da camada semicondutora porosa ou dielétrica, dessa forma formando uma região de entrelaçamento.

Description

CAMPO
[001]Esse documento de patente refere-se de forma geral a sistemas de conversão de energia e, mais particularmente, se refere a um método e sistema para geração de força elétrica, feixes de radiação ou movimento mecânico usando geradores elétricos de estado sólido com superfícies tridimensionais ou planares que compreendem redes de material poroso, tal como formações de nanofios ou estruturas nanoprojetadas ou nanopartículas ou pasta coloidal.
FUNDAMENTOS
[002]O uso de geradores elétricos de estado sólido para converter energia química e outras formas de energia em eletricidade foi demonstrado recentemente, como explicado, por exemplo, nas Patentes U.S. 6.114.620, 6.218.608, 6.222.116, 6.268.560, 6.327.859, 6.649.823, 7.371.962 e 7.663.053. As Patentes U.S. 6.114.620, 6.218.608, 6.222.116, 6.268.560, 6.327.859, 6.649.823, 7.371.962 e 7.663.053 são por meio disso incorporadas aqui por referência nas suas íntegras. Tais dispositivos de conversão de energia convertem eficientemente formas químicas e outras de energia. Por exemplo, a figura 1 aqui ilustra um gerador elétrico de estado sólido junto com gráficos mostrando características de tal dispositivo. Como mostrado em corte na figura 1-A aqui, um transportador de carga, geralmente um elétron e-, é energizado em ou perto de uma superfície condutora 10A por um energizador 12A. O transportador de carga é energizado, por exemplo, por reações químicas ou outras formas de energia. Em cada caso, o transportador de carga é injetado em uma faixa de condução semicondutora. Por exemplo, o transportador de carga move de forma balística de um condutor 10A para um semicondutor ou dielétrico 11A. O condutor 10A é tão fino que o elétron efetivamente percorre através dele de forma balística, sem perder energia significativa colidindo com outros elétrodos, fônons ou átomos. Desde que existe um desvio de energia entre a faixa de condução semicondutora e o nível Fermi do condutor ou catalisador condutor, o resultado é uma tensão 14A através do terminal positivo 17A e do terminal negativo 16A. Na figura 1-A, a junção dielétrica 15A é uma junção semicondutora especificamente escolhida para criar uma barreira de tensão de potencial elétrico que tende a impedir o movimento balístico do elétron, mostrado como 11B na figura 1-B. A figura 1-B mostra o potencial elétrico no dispositivo como uma função da distância ao longo do dispositivo na polarização zero.
[003]A barreira de tensão potencial pode ser formada em qualquer uma de muitas maneiras, por exemplo, uma barreira Schottky como mostrado na figura 1-C, uma junção p-n na figura 1-D ou uma junção de condutor-dielétrico-condutor, figura 1- E. O dielétrico é eletricamente condutor. Um diodo polarizado de avanço proporciona um dos métodos mais simples para realizar esse dispositivo de conversão de energia. A figura 1-C representa um diodo Schottky polarizado de avanço, cujo terminal positivo é um condutor/metal.
SUMÁRIO
[004]O presente documento de patente descreve várias modalidades tendo novas estruturas de dispositivo tridimensional que podem ficar em um substrato bidimensional planar ou em um substrato tridimensional. Os substratos bidimensional ou tridimensional podem ser rígidos ou flexíveis/dobráveis. As várias modalidades melhoram os geradores elétricos de estado sólido anteriores aumentando a quantidade de força (isto é, eletricidade) que pode ser produzida por unidade de área bidimensional de um dispositivo. As novas estruturas de dispositivo descritas aqui têm junções de estado sólido. Essas estruturas de dispositivo compreendem semicondutores porosos ou dielétricos e nanogrupos de condutor e/ou catalisador para formar as funções de estado sólido. Mesmo embora existam vazios no sistema compósito, materiais catalisadores condutores ou condutor/semicondutor poroso diferente, como um exemplo, podem ser um sistema integrado ou os materiais podem ser fisicamente conectados como uma rede. Nanogrupos são quando os materiais formam grupos de dimensão nano. As funções de estado sólido podem ser, mas não são limitadas a diodos Schottky ou junções p-n. Também são revelados métodos/processos para fabricar as estruturas do dispositivo revelado para gerar eletricidade ou outras formas de energia.
[005]Um dispositivo de conversão de energia para conversão de energia química em eletricidade ou outras formas de energia é revelado. Um primeiro aspecto do dispositivo de conversão de energia compreende um primeiro eletrodo conectado em um substrato. Uma camada semicondutora (ou dielétrica) porosa é disposta sobre o substrato (com uma camada semicondutora (ou dielétrica) não porosa opcional ficando no meio do substrato na camada semicondutora (ou dielétrica) porosa). A ca-mada semicondutora porosa tem uma estrutura nanoprojetada. Um material catalisador poroso fica localizado em pelo menos uma porção da camada semicondutora (ou dielétrica) porosa. Pelo menos um pouco do material catalisador poroso entra na estrutura nanoprojetada da camada semicondutora porosa, que forma uma região de entrelaçamento. Um segundo eletrodo está presente e um potencial elétrico é formado entre o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo durante reações químicas entre um combustível, o material catalisador poroso e a camada semicondutora porosa. Um dissipador de calor que remove o calor do gerador elétrico de estado sólido também está presente, onde o dissipador de calor tem uma temperatura de dissipador de calor mais alta do que a temperatura ambiente.
[006]Em outro aspecto revelado aqui, o substrato do dispositivo de conversão de energia é modelado para criar uma superfície tridimensional, dessa forma proporcionando a área de superfície maior para as reações químicas.
[007]Em outro aspecto revelado aqui, o substrato do dispositivo de conversão de energia é modelado tal que nanofios são formados.
[008]Em outro aspecto revelado aqui, o substrato do dispositivo de conversão de energia é em textura, tal que picos e vales são formados.
[009]Em outro aspecto revelado aqui, o dispositivo de conversão de energia tem uma camada semicondutora não porosa no meio do substrato e da camada se- micondutora porosa.
[010]Em outro aspecto revelado aqui, o substrato do dispositivo de conversão de energia é bidimensional e planar.
[011]Em outro aspecto revelado aqui, o substrato do dispositivo de conversão de energia é tridimensional e possuindo superfícies internas e externas.
[012]Em outro aspecto revelado aqui, o substrato do dispositivo de conversão de energia é rígido.
[013]Em outro aspecto revelado aqui, o substrato do dispositivo de conversão de energia é flexível.
[014]Em outro aspecto revelado aqui, o substrato do dispositivo de conversão de energia é dobrável.
[015]Em outro aspecto revelado aqui, a junção de estado sólido é um diodo Schottky.
[016]Em outro aspecto revelado aqui, a junção de estado sólido é uma junção p-n.
[017]Em outro aspecto revelado aqui, a junção de estado sólido é uma junção de condutor-dielétrico, dielétrico-dielétrico, condutor-dielétrico-condutor ou dielétrico- condutor-dielétrico.
[018]Em outro aspecto revelado aqui, a camada semicondutora porosa compreende um material semicondutor escolhido de um grupo de materiais incluindo cristalino, policristalino ou TiO2 poroso, SrTiO3, BaTiO3, Sr.sub.13 x-Ba_y-TiO_z, carbureto de boro, LiNiO, Al2O3, ZnO e LaSrVO3 e semicondutores orgânicos compreendendo PTCDA ou 3,4,9,10-perilenotetracarboxilicácido-dianidrido.
[019]Em outro aspecto revelado aqui, o grupo do condutor nanoscópico tem cobertura porosa descontínua sobre a camada semicondutora porosa.
[020]Em outro aspecto revelado aqui, a camada condutora compreende uma pluralidade de grupos nanoscópicos.
[021]Em outro aspecto revelado aqui, o grupo nanoscópico compreende um catalisador.
[022]Em outro aspecto revelado aqui, o um ou mais dispositivos de conversão de energia são conectados eletricamente em série, eletricamente em paralelo ou combinações de série e paralelo.
[023]Em outro aspecto revelado aqui, o um ou mais dispositivos de conversão de energia são conectados termicamente em série, termicamente em paralelo ou combinações de série e paralelo.
[024]Em outro aspecto revelado aqui, o sistema de conversão de energia compreende barras coletoras na superfície ativa de um ou mais dispositivos de conversão de energia com dimensões maiores do que a dimensão do túnel.
[025]Os geradores de estado sólido podem ser energizados por energia da reação química, gradientes fotovoltaicos ou térmicos e eles podem ser fabricados em um substrato rígido ou em um substrato flexível/dobrável. O dispositivo para gerar o movimento mecânico a partir da energia da reação química consiste da colocação de um fluido hidráulico em contato com o lado sem reação das estruturas nanoprojetadas, com as superfícies de ambos o condutor/catalisador e as estruturas nanoprojetadas mecanicamente formadas para aumentar as forças unidirecionais no fluido. Outros métodos, tal como nanotubos, podem também ser usados para converter para energia mecânica. O aparelho converte uma fração substancial da energia do produto de reação em trabalho útil durante o breve intervalo antes que tais produtos equilibrem com seus arredores. A presente invenção refere-se à extração de energia elétrica ou mecânica ou radiação coerente, das reações químicas que ocorrem na superfície de um catalisador antes que o equilíbrio térmico tenha sido alcançado, pelas formas da energia liberada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[026]Os desenhos acompanhantes, que são incluídos como parte do presente relatório descritivo, ilustram várias modalidades e, juntos com a descrição geral fornecida acima e a descrição detalhada das modalidades fornecida abaixo, servem para explicar e ensinar os princípios descritos aqui.
[027]A figura 1-A ilustra um gerador elétrico de estado sólido.
[028]A figura 1-B ilustra um gráfico da energia potencial versus a distância da superfície mais superior do dispositivo e indicando o efeito de uma barreira de potencial em uma junção de estado sólido.
[029]A figura 1-C ilustra um gráfico do potencial versus a distância da superfície mais superior do dispositivo em um gerador elétrico de estado sólido exemplar tendo uma barreira Schottky.
[030]A figura 1-D ilustra um gráfico do potencial versus a distância da superfície mais superior do dispositivo em um gerador elétrico de estado sólido exemplar tendo uma barreira de potencial da junção p-n.
[031]A figura 1-E ilustra um gráfico do potencial versus a distância da superfície mais superior do dispositivo em um gerador elétrico de estado sólido exemplar tendo uma barreira de potencial de condutor-dielétrico-condutor.
[032]A figura 2 ilustra o diagrama da faixa de energia para uma interface de condutor e/ou catalisador-semicondutor.
[033]A figura 3 ilustra o esquemático do mecanismo de geração de EMF.
[034]A figura 4 ilustra um corte esquemático de uma porção de uma formação de material de nanofios com um condutor e/ou catalisador, que pode ser uma rede de catalisador condutor.
[035]A figura 5a representa uma vista do corte de uma rede porosa tridimensional que consiste de um condutor poroso e/ou catalisador que pode ser uma camada tridimensional de catalisador condutor que entrelaça de forma tridimensional com outra camada tridimensional dielétrica ou semicondutora porosa em um substrato bidimensional planar. Uma camada intermediária não porosa pode ser opcionalmente inserida entre o substrato planar e as redes/camadas tridimensionais porosas acima.
[036]A figura 5B é uma vista microscópica do corte de uma rede porosa tridimensional, que consiste de um condutor poroso e/ou catalisador que pode ser uma camada tridimensional de catalisador condutor que entrelaça de forma tridimensional como outra camada tridimensional dielétrica ou semicondutora porosa.
[037]A figura 5c é uma imagem microscópica superior de um conversor de energia tendo uma rede porosa tridimensional, que consiste de um condutor poroso e/ou catalisador que pode ser uma camada tridimensional de catalisador condutor que entrelaça de forma tridimensional com outra camada tridimensional dielétrica ou se- micondutora porosa.
[038]A figura 6 mostra um conversor de energia tendo uma estrutura de dispositivo de múltiplas células com múltiplas camadas de condutor poroso tridimensional e/ou catalisador, que pode ser um catalisador condutor, e redes dielétricas ou semi- condutoras porosas tridimensionais em um substrato planar. Uma camada intermediária não porosa pode ser inserida ou não entre o substrato bidimensional planar e as camadas tridimensionais porosas/redes acima.
[039]A figura 7 mostra um conversor de energia exemplar tendo uma rede tridimensional modelada de condutor poroso e/ou catalisador que pode ser um catalisador condutor e semicondutor poroso ou dielétrico em substratos tridimensionais, nos quais as superfícies interna e externa são cobertas com uma camada dielétrica ou semicondutora porosa/rede que entrelaça com um condutor poroso e/ou catalisador que pode ser uma camada de catalisador condutor/rede de forma tridimensional. Uma camada não porosa opcional pode também ser inserida entre os substratos tridimensionais e o semicondutor poroso tridimensional ou camada dielétrica/rede.
[040]A figura 8 mostra um conversor de energia exemplar tendo substrato poroso tridimensional/rede de camada de sustentação (parcial ou totalmente) de condutor poroso e/ou catalisador que pode ser um catalisador condutor e semicondutor poroso ou dielétrico em substratos tridimensionais, nos quais as superfícies interna e externa são cobertas com uma camada dielétrica ou semicondutora porosa/rede que entrelaça com um condutor poroso e/ou catalisador que pode ser uma camada de catalisador condutor/rede de forma tridimensional. Uma camada não porosa opcional pode também ser inserida entre os substratos tridimensionais e o semicondutor poroso tridimensional ou camada dielétrica/rede.
[041]A figura 9a mostra um conversor de energia exemplar tendo uma rede tridimensional em textura de condutor poroso e/ou catalisador que pode ser um catalisador condutor e semicondutor poroso ou dielétrico em substratos tridimensionais, nos quais as superfícies interna e externa são cobertas com uma camada dielétrica ou semicondutora porosa/rede que entrelaça com um condutor poroso e/ou catalisador que pode ser uma camada de catalisador condutor/rede de forma tridimensional. Uma camada não porosa opcional pode também ser inserida entre os substratos tridimensionais e o semicondutor poroso tridimensional ou camada dielétrica/rede.
[042]A figura 9b é uma imagem microscópica de um corte de um conversor de energia tridimensional exemplar em um substrato em textura tridimensional como na figura 9a.
[043]A figura 9c é uma imagem microscópica de uma vista superior de um conversor de energia tridimensional exemplar em um substrato em textura tridimensional como na figura 9a.
[044]A figura 10 mostra um conversor de energia exemplar conectado em um dissipador de calor.
[045]As figuras 11(a) e 11(b) mostram um conversor de energia primário e secundário conectado em série térmica e eletricamente onde o conversor primário e secundário pode ser energizado pelas mesmas fontes de energia ou diferentes.
[046]A figura 12 mostra vários conversores de energia exemplares conectadas térmica e eletricamente.
[047]A figura 13 ilustra um corte exemplar mostrando o fluxo do reagente e do refrigerante do mais frio (dentro da estrutura) para o mais quente (fora da estrutura), no qual os conjuntos de conversor de refração balística pré-equilíbrio são fixados.
[048]A figura 14-A ilustra um corte exemplar mostrando espaçadores inertes formados junto com conjuntos de conversor de energia de estado sólido em um substrato de sustentação.
[049]A figura 14-B ilustra um detalhe do corte exemplar de um espaçador e conjuntos de conversor de energia de estado sólido em um substrato de sustentação.
[050]A figura 15 ilustra um corte exemplar mostrando o empilhamento de substratos contendo conjuntos de conversor de energia de estado sólido e mostrando os fluxos do reagente, de esfriamento e de exaustão nos espaços entre os elementos empilhados.
[051]A figura 16 ilustra um corte exemplar mostrando os conjuntos de conversor de energia de estado sólido conectados eletricamente em série através da superfície de uma estrutura de sustentação.
[052]A figura 17 ilustra um corte exemplar mostrando um substrato com o reagente e os refrigerantes fluindo através de uma estrutura de sustentação e ao redor dos conjuntos de conversor de energia de estado sólido na estrutura.
[053]A figura 18 ilustra uma superfície exemplar contendo conversores de energia de estado sólido e espaçadores sendo enrolados, permitindo o fluxo do reagente e do refrigerante através do rolo.
[054]A figura 19 mostra um corte de uma modalidade exemplar de um dispositivo para converter a energia liberada por uma reação catalítica em trabalho mecânico.
[055]A figura 20 mostra um corte de uma modalidade exemplar de um dispositivo para gerar eletricidade de forma piezelétrica.
[056]A figura 21 mostra uma modalidade exemplar de uma disposição para gerar eletricidade ou feixes de radiação de acordo com a presente invenção.
[057]Os aspectos acima e outros preferidos descritos aqui, incluindo vários novos detalhes de realização e combinação dos elementos, serão agora mais particularmente descritos com referência aos desenhos acompanhantes e evidenciados nas reivindicações. Será entendido que os métodos particulares e os aparelhos são mostrados por meio de ilustração somente e não como limitações das reivindicações. Como será entendido por aqueles versados na técnica, os princípios e os aspectos dos ensinamentos aqui podem ser utilizados em várias e numerosas modalidades sem se afastar do escopo das reivindicações.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[058]Um método e aparelho para gerar eletricidade e ou converter para outras formas de energia são descritos. Cada um dos aspectos e ensinamentos revelados aqui pode ser utilizado separadamente ou em conjunto com outros aspectos e ensinamentos. Exemplos representativos utilizando muitos desses aspectos adicionais e ensinamentos, tanto separadamente quanto em combinação, são descritos em mais detalhes com referência aos desenhos anexos. Essa descrição detalhada é meramente planejada para ensinar a um versado na técnica detalhes adicionais para praticar aspectos preferidos dos presentes ensinamentos e não é planejada para limitar o escopo das reivindicações. Portanto, combinações dos aspectos revelados na descrição detalhada seguinte podem não ser necessárias para praticar os ensinamentos no sentido mais amplo e são ensinadas, no lugar disso, meramente para descrever exemplos particularmente representativos dos presentes ensinamentos.
[059]Na descrição seguinte, para finalidades de explicação somente, nomenclatura específica é apresentada para propiciar um entendimento completo das várias modalidades descritas aqui. Entretanto, será evidente para um versado na técnica que esses detalhes específicos não são necessários para praticar os conceitos descritos aqui.
[060]Além do mais, os vários aspectos dos exemplos representativos e das reivindicações dependentes podem ser combinados em maneiras que não são específica e explicitamente enumeradas, de modo a proporcionar modalidades úteis adicionais dos presentes ensinamentos. Também é expressamente notado que todas as faixas de valores ou indicações de grupos de entidades revelam cada valor intermediário possível ou entidade intermediária com a finalidade da revelação original, bem como com a finalidade de restringir a matéria em questão reivindicada. Também é expressamente observado que as dimensões e as formas dos componentes mostrados na figura são indicadas para ajudar a entender como os presentes ensinamentos são praticados, mas não planejadas para limitar as dimensões e as formas mostradas nos exemplos.
[061]Modalidades adicionais conectam conversores de estado sólido termica- mente em paralelo e/ou em série e os conectam eletricamente em paralelo e/ou em série. Os conversores conectados são ainda conectados em paralelo e/ou em série. As conexões térmicas podem ser fisicamente distintas das conexões elétricas. A energia e as fontes de calor incluem essas com perfis de temperatura únicos, espacialmente não uniformes, rajadas de energia temporalmente esporádicas e não constantes e várias regiões podem apresentar taxas de fluxo de calor não uniformes.
[062]As várias modalidades descritas aqui são dispositivos de estado sólido que convertem formas de energia diferentes para eletricidade ou outras formas de energia. Um fator limitador dos dispositivos anteriores usando mecanismos de transporte de elétron similares como esses descritos aqui era a área de superfície que produzia força por unidade de área bidimensional do dispositivo. As várias modalidades descritas aqui superam esses problemas aumentando a área de superfície do dispositivo conversor de energia de estado sólido sem aumentar significativamente a área bidimensional de tais dispositivos.
[063]Métodos de energização incluem usar energias de reação química, métodos fotovoltaicos, usar radiação eletromagnética evanescente e/ou de propagação, usar acoplamento Coulomb elétrico, usar fluxo de calor e gradientes térmicos associados, usar energizadores solares, usar fontes de calor, tais como fontes de calor ge- otérmico, de atrito e nucleares, usar energização nuclear, usar radiação de ionização no local, usar radiação de refugo radioativo, usar aquecedores de chama e aquecedores catalíticos, usar o efeito termoelétrico e de Seebek e usar energização piezelé- trica.
[064]As estruturas do dispositivo e métodos/processos descritos aqui, por exemplo, nas figuras 4 a 9, incluem, mas não são limitados a: (a) nanofios, nanofibras ou nanotubos; (b) estruturas nanoprojetadas porosas com paredes e poros interligados e (c) estruturas nanoprojetadas porosas com redes de percolação. Métodos de fabricação/processos incluem, mas não são limitados a crescimento de película direta resultando em estruturas porosas e/ou estruturas nanoprojetadas. Métodos de fabricação de tais dispositivos incluem, mas não são limitados a (i) oxidação estampada e cauterização; (ii) oxidação e cauterização a seco e/ou a úmido; (iii) oxidação e cauterização eletroquímica; (iv) oxidação e cauterização de anodização; (v) oxidação e cauterização de microarcos; nanopartículas de semicondutor(s), dielétrico(s), metal(s), condutor(s) e/ou catalisador que pode ser catalisadores condutores, sais de metal em solventes, pastas ou coloides e (vi) processos de solgel. Para certos semicondutores e dielétricos, por exemplo, silício, somente a cauterização é exigida para todos esses métodos de fabricação/processos para introduzir porosidade e estruturas nanoproje- tadas nos materiais.
[065]Em certas modalidades, um dispositivo de conversão de energia química é descrito que utiliza semicondutor poroso ou dielétrico e condutor poroso e/ou catalisador, que pode ser um catalisador condutor, integrando uma unidade/rede em um substrato bidimensional planar ou um substrato tridimensional. Os substratos bidimensionais ou tridimensionais podem ser rígidos ou flexíveis/dobráveis. Uma película fina porosa de dielétrico ou semicondutor, tal como um bióxido de titânio (TiO2), que algu-mas vezes é chamado como um óxido de titânio, rede semicondutora, como um exemplo, pode ser fabricada pelo depósito de uma película fina de titânio metálico (Ti) em um substrato planar não poroso tal como silício, ou em uma camada de sustentação não porosa depositada em um substrato planar, tal como uma camada de TiO2 não porosa em silício. Essa película de Ti metálico fina depositada pode ser subsequentemente oxidada para criar TiO2 e ainda modificada para formar furos nanoporosos na sua microestrutura através (i) da oxidação estampada e cauterização, (ii) oxidação e cauterização a seco ou a úmido, (iii) oxidação e cauterização eletroquímica, (iv) oxidação e cauterização de anodização ou (v) oxidação e cauterização de microarco. Os reagentes químicos envolvidos em todos esses processos incluem, mas não são limitados a ácido fluorídrico (HF), ácido nítrico (HNO3), ácido sulfúrico (H2SO4), peróxido de hidrogênio (H2O2) ou/e hidróxido de sódio (NaOH). Uma camada não porosa adicional de material funcionando como uma camada de barreira pode também ser inserida entre a película fina de Ti metálico depositada e o substrato planar, de modo a aumentar mais o desempenho elétrico do dispositivo. Em outro exemplo, o próprio substrato pode ser uma estrutura tridimensional, tal como, mas não limitado a silício poroso, superfícies de silício em textura e bolachas de silício modeladas. Da mesma forma, uma camada fina não porosa adicional de semicondutor ou dielétrico, tal como TiO2, pode ser inserida entre a camada de Ti metálico e o substrato tridimensional descrito acima. Como outro exemplo, a integração de condutores porosos e/ou catalisadores, que podem ser catalisadores condutores e semicondutores porosos ou die- létricos pode ser fabricada no substrato bidimensional ou tridimensional via as técnicas de impressão ou revestimento por rotação usando nanopartículas de condutor/ca- talisador, semicondutor e dielétrico.
[066]Embora as várias modalidades reveladas aqui sejam descritas como usando TiO2, onde quer que TiO2 seja discutido, outros materiais, tais como películas finas de semicondutores porosos e dielétricos com estruturas nanoprojetadas, podem ser usados sem se afastar dos ensinamentos aqui. Tais outros materiais porosos de película fina incluem, mas não são limitados a silício, Al2O3, GaN, GaAs, Ge, ZnO, sílica, carbono, óxidos de nióbio, tântalo, zircônio, cério, estanho e vanádio. Esses materiais também se aplicam aos substratos planares e tridimensionais subjacentes ou camadas de sustentação. Os mesmos métodos de processamento podem também ser usados nas fabricações do dispositivo.
[067]Como será discutido, catalisadores e/ou condutores são colocados nas superfícies internas e externas do semicondutor poroso para criar uma pluralidade (e de preferência, um grande número) de junções de estado sólido. Os catalisadores e/ou condutores que podem ser usados para formar as junções de estado sólido com o semicondutor nanoprojetado poroso ou rede(s) dielétrica podem ser metais nobres ou outros tais como, mas não limitados a Pt, Au ou Pd. Esses condutores e/ou catalisadores podem ser depositados usando vários métodos, incluindo, mas não limitado ao uso de nanopartículas ou/e sais de metal em solventes, pastas ou coloides; depósito de película fina seguido pelo recozimento para nuclear a formação de nanopartí- culas ou uma combinação de métodos de pastas/solvente/depósito; depósito de vapor químico (CVD); lançamento; evaporação; depósito de camada atômica (ALD) ou processos de solgel.
[068]Com referência à figura 2, um mecanismo para conversão de energia é descrito. A figura 2 representa um diagrama da faixa de energia 200 para uma interface de catalisador-nanofios para um dispositivo de conversão de energia. O energi- zador do transportador de carga 205 entra em contato com o catalisador e/ou condutor do catalisador 210. O energizador do transportador de carga 205 (nesse caso sendo um energizador das reações químicas compreendendo combustível e ar) injeta elétrons 240 na faixa de condução 220 do semicondutor 215. Lá, os elétrons 240 encontram uma barreira de potencial semelhante a Schottky 225 entre o semicondutor 215 e o condutor 210 e pode também ser uma camada de eletrodo superior (não mostrada) que embute o condutor. Os elétrons 240 são então direcionados para o contato inferior (não mostrado) pelo campo elétrico embutido na interface entre o condutor 210 e o semicondutor 215. Os elétrons 240 se movimentam no circuito externo (não mostrado), dessa forma transferindo a sua energia para a carga antes de retornar para o local do catalisador/condutor via o contato superior (também não mostrado). A tensão de saída do circuito mostrado na figura 2 dependerá do desvio (barreira) de potencial entre o nível Fermi no catalisador/condutor e a faixa de condução do semicondutor.
[069]Em outras palavras, como esquematicamente mostrado na figura 3, as reações de oxidação e redução (redox) induzem uma diferença de potencial químico do elétron entre os locais do catalisador e os locais do semicondutor, que por sua vez dá origem a uma EMF (Δμ = V2 - Vi).
[070]Em uma modalidade descrita aqui estão dispositivos de conversão de energia química que convertem a energia química em eletricidade. Um fator limitador dos dispositivos anteriores usando mecanismos de transporte de elétron similares como esses descritos aqui era a taxa na qual as reações catalíticas poderiam acontecer. A geração da eletricidade dos dispositivos conversores de energia química como esses descritos aqui é proporcional à taxa de reação e conversão do combustível, e a taxa de reação e a conversão do combustível são proporcionais a pelo menos (i) a temperatura na qual as reações catalíticas acontecem e (ii) as áreas de superfície total do catalisador. O aumento da área de superfície, entretanto, geralmente leva a dispositivos que se tornam grande bidimensionalmente e, assim, aumentam o tamanho do dispositivo, o que é indesejável. Da mesma forma, temperaturas podem ser aumentadas para intensificar a taxa de reação, mas o aumento da temperatura pode também ser indesejável. As várias modalidades descritas aqui superam esses problemas aumentando a área de superfície do dispositivo conversor de energia química sem aumentar significativamente a área bidimensional de tais dispositivos.
[071]A figura 4 ilustra uma modalidade de um dispositivo conversor de energia química 400. Em particular, a figura 4 ilustra um dispositivo tendo nanofios 415, que são formados em uma camada de substrato (não mostrada), onde a camada de substrato pode compreender uma película fina porosa de dielétrico ou semicondutor, tal como um óxido de titânio (TiO2). A camada do substrato é formada em um eletrodo 410, que pode ser feito com um material condutor de metal ou material semicondutor altamente dopado com n. O eletrodo 410 pode ficar abaixo da camada de substrato ou no meio do substrato e dos nanofios 415. Os nanofios 415 podem compreender um material semicondutor poroso nanoprojetado ou um dielétrico poroso nanoproje- tado. De qualquer maneira, os nanofios 415 formam uma formação eletricamente condutora. O material condutor 420 fica na superfície do nanofio 415, embora materiais intermediários sejam possíveis também. O material condutor 420 pode ser partículas de metal, onde cada partícula de metal forma uma junção de diodo Schottky com o material semicondutor formando os nanofios 415. Em uso, a fonte de energização 430, tais como hidrogênio, ou gás natural ou metanol e ar, ou uma fonte de energia nano- propulsora ou combustível, tal como peróxido de hidrogênio, entra em contato com o catalisador 420, o que faz com que os elétrons do condutor 420 sejam injetados no semicondutor 405, que são então atraídos para o eletrodo 410. Isso gera eletricidade. Um segundo eletrodo 425 é formado sobre o catalisador/condutor 420 que, em con-junto com o eletrodo inferior 410 permite que um circuito seja formado, de modo que a corrente elétrica fluirá e um potencial de tensão Vout é gerado entre os elétrodos.
[072]Nanofios 415 proporcionam várias vantagens que melhoram a eficiência geral. Os nanofios 415 têm área de superfície, significando que cada nanofio 415 produz significativamente mais área de superfície do que a mesma área bidimensional que teria sido provida caso nenhum nanofio 415 estivesse presente. A área de superfície adicional produzida pelos nanofios permite que mais catalisador/material condutor seja depositado nos nanofios quando comparado com os dispositivos de conversão de energia onde o depósito de catalisador é bidimensional. A presença das nanopar- tículas de catalisador, nanogrupos ou nanofios proporciona mais locais de reação para as reações químicas levando a maiores taxas de reação/conversão em temperaturas mais baixas. Outra vantagem é que a rede porosa também facilita a difusão dos reagentes para os catalisadores localizados nas superfícies internas dos nanofios e a remoção dos produtos de reação para longe dos catalisadores.
[073]Em uma modalidade, nanofios 415 são compreendidos de nanofios de TiO2 de cristal único, que aumentam o transporte do elétron, pode ser sintetizado em vários métodos baratos e simples, tal como o crescimento de uma camada semente epitaxial de uma fonte de titânio, por exemplo, em um processo hidrotérmico. O contato inferior 410 é um substrato condutor com uma camada condutora que fornece um gabarito epitaxial para o crescimento do nanofio, por exemplo, FTO (óxido de estanho fluorado) no caso de nanofios de TiO2. O contato superior 425 tem que conectar eletricamente a rede porosa do catalisador/condutor. O catalisador/condutor pode ser uma pasta ou um eletrólito. Novamente, o condutor e ou catalisadores podem ser depositados usando pastas de nanopartícula, solventes de nanopartícula, depósitos de película fina ou qualquer combinações desses.
[074]A figura 5a ilustra outra modalidade de um dispositivo conversor de energia compreendendo uma camada de condutor/catalisador poroso tridimensional 505 entrelaçada de forma tridimensional com a camada dielétrica ou semicondutora porosa 515 em uma região de entrelaçamento 510, que por sua vez pode ser colocada em um substrato planar 525. A camada 515 pode ser construída com TiO2 como discutido acima e pode tomar a forma de uma estrutura semelhante a alvéolo sendo uma estrutura nanoprojetada tendo paredes interligadas definindo poros ou estruturas na- noprojetadas com redes de percolação. De qualquer maneira, a estrutura semelhante a alvéolo permite que as nanopartículas de catalisador da camada do catalisador 505 entrem nos espaços da estrutura alveolar e repousem sobre a superfície da camada semicondutora ou dielétrica 515. É essa estrutura alveolar que torna a camada 515 porosa nas três dimensões. Essas nanopartículas podem ser, por exemplo, de platina ou qualquer metal. A estrutura semelhante a alvéolo da camada semicondutora ou dielétrica 515 pode ser vista nas imagens microscópicas das figuras 5b e 5c.
[075]Da mesma forma, a camada do catalisador poroso tridimensional 505 pode compreender redes porosas, nanogrupos individuais/partículas ou uma combinação de ambos e pode ser construída de, por exemplo, platina. Como com a camada semicondutora porosa ou dielétrica 515, a camada do catalisador/condutor pode tomar a forma de uma estrutura semelhante a alvéolo. Opcionalmente, ela pode ser uma malha ou sistema contínuo agindo como o eletrodo superior. Uma camada porosa tridimensional exemplar 505 pode ser vista nas imagens microscópicas das figuras 5b e 5c. Um aspecto da região entrelaçada 510 é a sua área de superfície interna larga onde catalisadores/condutores podem ser distribuídos em toda parte para construir uma rede tridimensional de junções de catalisador/condutor-semicondutor. Uma região de entrelaçamento exemplar 510 pode ser vista nas imagens microscópicas das figuras 5b e 5c.
[076]Um conversor de energia 500 pode incluir opcionalmente uma camada dielétrica ou semicondutora não porosa 520 depositada através de métodos de depósito padrões, tais como evaporação, depósito de vapor químico (CVD), lançamento ou depósito de camada atômica (ALD), para produzir uma camada de barreira entre o substrato abaixo e os materiais porosos acima.
[077]Na modalidade ilustrada pela figura 5(a), um eletrodo superior 530 pode ser formado em parte ou toda a camada de catalisador/condutor 505. Da mesma forma, um eletrodo inferior 535 pode ser formado abaixo do substrato planar 525. Esses dois eletrodos podem ser conectados eletricamente em uma carga externa para formar um circuito completo.
[078]A figura 6 mostra ainda outra modalidade, onde uma pluralidade de dispositivos conversores de energia 500 como na figura 5(a) são dispostas como n células 602a a 602n e são assim empilhados. Um conversor de energia química 600, como mostrado na figura 6, é uma estrutura de dispositivo de múltiplas células com múltiplas camadas de catalisador poroso 605a a 605n e redes semicondutoras porosas/dielé- tricas 615a a 615n que podem ser fabricadas e integradas verticalmente em um substrato bidimensional planar. Em particular, o conversor de energia química 600 pode ter um eletrodo inferior 635, que tem um substrato planar 625 disposto nele. Uma camada dielétrica ou semicondutora não porosa 620 pode ser colocada, se desejado, sobre o substrato planar 625. O uso de tal camada 620 age como uma camada de barreira entre o substrato abaixo e os materiais porosos acima. A primeira célula 602a do conversor de energia química 600 compreende uma camada porosa 615a compreendida de um material semicondutor ou dielétrico, que pode ser construído, por exemplo, de TiO2. A primeira célula 602a também compreende uma camada de catalisador poroso tridimensional 605a que é colocada nela usando métodos descritos acima e pode compreender redes porosas, nanogrupos individuais/partículas ou uma combinação de ambos. A camada do catalisador 605a pode ser construída, por exemplo, de platina. Na interface entre a camada 615a e a camada do catalisador 605a, os materiais entrelaçam de forma tridimensional em uma primeira região entrelaçada 610a.
[079]Para aumentar a quantidade de eletricidade gerada, o dispositivo conversor de energia química 600 tem células adicionais 602b até 602n empilhadas. Por exemplo, uma segunda célula 602b compreendida da segunda camada dielétrica ou semicondutora porosa 615b e da segunda camada de catalisador 605b é formada acima da primeira célula, com uma região entrelaçada tridimensional 612a formada entre a primeira célula 602a e a segunda célula 602b. Da mesma forma, uma terceira região entrelaçada tridimensional 610b é formada entre a segunda camada do catalisador 605b e a segunda camada dielétrica ou semicondutora porosa 615b.
[080]Para aumentar mais a geração de energia, n células adicionais 602n podem ser adicionadas no conversor de energia química 600. Cada uma das células adicionais é compreendida de n segundas camadas de catalisador 605n e n camadas dielétricas ou semicondutoras porosas 615n, com uma região entrelaçada tridimensional 610n formada em cada interface entre camadas do catalisador 605n e camada dielétrica ou semicondutora porosa 615n. Uma região entrelaçada tridimensional 612a a 612m será formada entre cada célula. Tais estruturas de múltiplas células aumentam significativamente as áreas totais de interface de catalisador do semicondutor-condutor para a geração de força/conversão nos locais da reação sem incluir um dispositivo maior, dessa forma aumentando a conversão do combustível via reações químicas e a saída elétrica correspondente.
[081]Ainda outra modalidade ilustrada na figura 7, na qual um conversor de energia 700 tem a integração do catalisador poroso e semicondutor poroso descrito na figura 5 construído em uma superfície tridimensional. Tal superfície tridimensional tem área de superfície maior do que um substrato bidimensional planar, o que resulta em maiores locais ativos para a geração/conversão de força, o que por sua vez aumenta a quantidade de eletricidade gerada. Em particular, a modalidade descrita com referência à figura 7 tem um eletrodo inferior 735. Um substrato tridimensional 725 é fabricado nele usando, por exemplo, um processo de cauterização/modelagem por litografia padrão. Nessa modalidade, o substrato 725 forma microvalas de rede tridimensional modeladas 712. Se desejado, uma camada não porosa 720 pode ser colocada sobre o substrato modelado 725, que age como uma camada de barreira entre o substrato abaixo e os materiais porosos acima. Como na modalidade mostrada na figura 5, uma rede dielétrica/semicondutora porosa 715 é colocada sobre o substrato modelado 725 (ou camada não porosa 720, se presente). Uma camada de catalisador 705 é colocada sobre a rede dielétrica/semicondutora porosa 715, que também entra nos poros da rede dielétrica/semicondutora porosa 715 para formar uma região de entrelaçamento 710. Um segundo eletrodo 730 é colocado acima de uma camada de catalisador 725 e, em combinação com o primeiro eletrodo 735, permite que uma ten-são apareça e, portanto, permite o uso da eletricidade gerada pelo dispositivo conversor 700.
[082]A figura 8 mostra uma modalidade de um conversor de energia química 800 compreendendo uma camada de sustentação/substrato tridimensional poroso 825 onde as superfícies internas e externas são cobertas com a integração de uma camada dielétrica ou semicondutora porosa 815 e um catalisador poroso 805 similar a esse descrito na figura 5. Em particular, o dispositivo conversor de energia química 800 tem um eletrodo inferior 835, sobre o qual uma camada de sustentação/de subs-trato poroso 825 é colocada nele.
[083]Um segundo eletrodo 830 é colocado acima da camada 825 e, em combinação com o primeiro eletrodo 835, permite que uma tensão apareça e, portanto, permite o uso da eletricidade gerada pelo dispositivo conversor 800.
[084]O substrato poroso tridimensional é tipicamente amorfo, o que, com o recozimento pode cristalizar. Estruturas nanoprojetadas tipicamente consistem de paredes interligadas e fios formando uma estrutura altamente porosa. O tamanho dos poros, a espessura da camada porosa, entre outras propriedades físicas e elétricas, podem ser adaptados pelos parâmetros de processamento.
[085]Outro método para criar uma rede porosa nanoprojetada ou camada de semicondutor ou dielétrico, por exemplo, TiO2, como um suporte para o catalisador acima dele, é utilizar uma pasta de nanopartículas de TiO2 para formar películas finas de camadas porosas/redes.
[086]A figura 9a mostra uma modalidade tendo uma camada de sustenta- ção/substrato em textura tridimensional 925 onde a superfície é coberta com a integração da camada de material dielétrico ou semicondutora porosa 915 e catalisador poroso 905 como a modalidade descrita na figura 5. Em particular, o conversor de energia química 900 ilustrado na figura 9 tem um eletrodo inferior 935. Colocado sobre ele está um substrato em textura tridimensional 925 que pode ser, por exemplo, criado pela cauterização de uma bolacha de silício.
[087]O substrato em textura 925 forma picos e vales, dessa forma criando uma área de reação tridimensional. Essa área de reação tridimensional aumenta a área de superfície disponível para as reações químicas, o que aumenta o número de locais reativos que podem acontecer durante uma duração particular de tempo para um dado tamanho de dispositivo, dessa forma aumentando a capacidade de geração elétrica do conversor de energia 900. Se desejado, uma camada não porosa 920 pode ser colocada sobre o substrato em textura 925. Como acima, a camada não porosa 920 produz uma camada de barreira para separar o substrato abaixo e os materiais porosos acima. Uma camada dielétrica ou porosa ou semicondutora 915 é colocada sobre o substrato em textura 925 (ou camada não porosa, se presente).
[088]Uma camada de catalisador 905 é colocada sobre a rede dielétrica/se- micondutora porosa 915, que também entra nos poros da rede dielétrica/semicondu- tora porosa 915 para formar uma região de entrelaçamento 910. Um segundo eletrodo 930 é colocado acima de uma camada do catalisador 905 e, em combinação com o primeiro eletrodo 935, permite que uma tensão apareça e, portanto, permite o uso da eletricidade gerada pelo dispositivo conversor 900.
[089]Como nas outras modalidades descritas aqui, o uso de um substrato em textura 925 resulta em uma área de superfície maior para catálise, o que resulta em maior geração de eletricidade do que um conversor de energia tendo um substrato bidimensional planar.
[090]A figura 9b é uma imagem microscópica representando um conversor de energia como na figura 9a tendo um substrato em textura. A imagem microscópica mostra o substrato 925 tendo uma camada dielétrica ou semicondutora 915 formada nele. A camada do catalisador 905 (não mostrada) na forma de nanopartículas fica sobre a camada semicondutora/dielétrica 915 e nanopartículas entram nos poros da camada 915 para formar uma região de entrelaçamento. A figura 9c mostra uma vista superior, onde uma pessoa pode ver a textura da camada semicondutora/dielétrica 915.
[091]Estruturas de dispositivo e métodos/processos para fabricá-los, usando formações de nanofio, estruturas nanoprojetadas, para formar redes porosas compreendendo junções de estado sólido especificamente para gerar energia elétrica são descritos aqui. As estruturas do dispositivo podem ser fabricadas em um substrato planar bidimensional ou em um substrato tridimensional. Os substratos bidimensionais ou tridimensionais podem ser rígidos ou flexíveis/dobráveis. Um método exemplar compreende fabricar um ou mais geradores elétricos de estado sólido. Os geradores elétricos de estado sólido incluem um ou mais escolhidos do grupo incluindo um gerador elétrico de estado sólido energizado de modo fotovoltaico.
[092]Uma modalidade é um dispositivo de estado sólido, onde a junção produzindo um potencial retardador elétrico entre o condutor e os materiais semicondutores pode incluir pelo menos uma junção de condutor-dielétrico, dielétrico-dielétrico ou dielétrico-condutor-dielétrico. Isolantes e semimetais são considerados subconjuntos de dielétricos e metais aqui. O termo “junção de semicondutor” inclui junções de semicondutor incluindo poços de quantum formados de metal e/ou semicondutor, materiais isolantes com uma grande distância de faixa e materiais amorfos e de pequena dopagem, semimetal, isolante, material amorfo, material policristalino. O termo “metal” inclui semicondutores pesadamente dopados, metal, semimetal, semicondutor pesadamente dopado, condutor elétrico. O principal da orientação é que a junção apresente ambos um potencial de retardamento e sobrepujável e/ou de túnel para o transportador de carga se aproximando.
[093]Em uma modalidade, o conversor de estado sólido pode ser conectado em um dissipador de calor para dissipar qualquer calor excessivo do processo de conversão de energia como mostrado na figura 10. Um dissipador de calor pode ser fornecido pelos reagentes e gases e ou pelo substrato, que pode ser fisicamente conectado em um dissipador de calor. Com referência à figura 10, reagentes químicos em uma região limitada em parte por uma superfície 1001 contendo um catalisador podem reagir na proximidade da superfície, podem contatar, adsorver, dissociar, recombinar ou formar intermediários de reação em, perto ou na proximidade da superfície 1001.
[094]O material da barreira de potencial elétrico e dielétrico 1003 na modalidade da figura 10 é escolhido para ser o TiO2 semicondutor, comparado com o condutor. O condutor 1002 forma a barreira Schottky com o semicondutor dielétrico 1003. O potencial elétrico é observado entre o eletrodo negativo 1006 e o eletrodo positivo 1007. Ambos os materiais do condutor e do eletrodo incluem materiais escolhidos do grupo incluindo pelo menos um condutor, tais como um metal, um óxido condutor e semicondutores dopados de forma degenerativa e pesada, tal como silício pesadamente dopado, e semicondutores, materiais com uma grande figura de mérito ZT. O calor gerado pelas reações e pelo conversor de energia da junção Schottky é rejeitado para um dissipador de calor de temperatura mais fria 1005.
[095]O dissipador de calor de temperatura mais baixa na figura 10 pode compreender os próprios reagentes 1000, porque os reagentes nesse dispositivo geralmente não estão quentes quando fornecidos para o sistema.
[096]Uma modalidade inclui usar dielétrico ou semicondutor 1003 diferente de TiO2 incluindo, mas não limitado, por exemplo, a TiO2 de rutílio, TiO2 de anatásio, TiO2 de anatásio poroso, SrTiO3, BaTiO3, Sr_x-Ba-y-TiO-z, LiNiO e LaSrVO3 e certos semicondutores orgânicos, tais como PTCDA ou 3,4,9,10-perilenotetracarboxilicacido-dia- nidro. Os subscritos x, y e z representam concentrações, por convenções usuais. Uma vantagem de SrTiO.sub.3 é que as barreiras Schottky nele podem ser desprendidas, produzindo uma barreira relativamente maior comparada com essa do TiO2.
[097]Uma modalidade da figura 10, um dissipador de calor 1005 pode ser acoplado diretamente no dielétrico 1003, enquanto que em outras modalidades, o acoplamento direto não é exigido. Tais dissipadores de calor podem incluir, mas não são limitados a canos de calor, sistemas capilares com fluxo de fluido, esfriamento evapo- rativo incluindo, mas não limitado ao uso dos próprios reagentes, materiais condutores de calor e métodos de fluxo convectivo e um conversor de gradiente térmico nanos- cópico.
[098]Em uma modalidade, o sistema conversor de energia pode compreender um conversor primário conectado em vários conversores secundários conectados em um dissipador de calor como mostrado na figura 11. O conversor primário pode ser energizado quimicamente. O conversor primário pode ser energizado por uma fonte de energia enquanto os conversores secundários podem ser energizados por outra fonte de energização. Alternadamente, eles podem ser energizados por uma fonte de energização similar. Por exemplo, o conversor primário pode ser energizado por reações químicas e o calor excessivo do conversor de energia primário por sua vez ener- giza o conversor secundário. Em uma configuração incluindo outros sistemas de conversão de energia primária em geral, conversores de estado sólido são conectados em série termicamente, e em série ou em paralelo, eletricamente. Essa interligação citada como “série-paralelo” não impede as configurações em série e em paralelo usadas para garantir a confiabilidade. Por exemplo, o eletrodo negativo 1108 do gerador quimicamente energizado é acoplado elétrica e termicamente no eletrodo positivo do conversor secundário 1101. O eletrodo negativo 1103 e o material semicondutor 1102 do conversor secundário são acoplados termicamente no dissipador de calor mais frio 1110. A eletricidade é tirada do eletrodo positivo de 1106 e do eletrodo negativo 1103 e porque os dispositivos estão em série para esse exemplo, também do eletrodo positivo de 1101 e do eletrodo negativo 1103. Observe que a tensão de saída pode ser derivada de qualquer um dos pares de eletrodo positivos e negativos. Observe que tais saídas múltiplas são altamente vantajosas.
[099]Essa configuração permite que o gerador quimicamente energizado opere em uma temperatura mais alta do que sem o conversor secundário, permitindo um aumento nas taxas de reação e, portanto, maior densidade de força. A temperatura aumentada também permite o uso de uma faixa mais ampla de reagentes e operação na temperatura de ignição de alguns reagentes.
[0100]Com referência à figura 12, uma modalidade repete recursivamente os conversores de estado sólido termicamente energizados, cada um conectado em série no próximo tanto elétrica quanto termicamente. O primeiro estágio 1201 pode ser um gerador elétrico quimicamente energizado, energizado por qualquer um dos muitos métodos conhecidos.
[0101]Os conversores de estado sólido recursivamente repetidos 1202 então geram eletricidade do ‘calor rejeitado’ de temperatura mais alta do primeiro estágio 1202 e do dissipador de calor de temperatura ambiente mais baixa. Estimativas sugerem que um conversor de gradiente térmico recursivamente repetido pode atingir aproximadamente 80% da eficiência do limite Carnot entre a sua fonte de calor e as temperaturas do dissipador de calor.
[0102]Uma tensão de saída pode ser derivada de qualquer um dos pares de eletrodos positivos e negativos. Uma modalidade usa um conversor de energia primário preso em uma série de conversores de gradiente térmico secundários presos em um dissipador de calor. A figura 12 mostra tal conversor de energia. Vários conversores secundários 1202 são conectados em série. Uma extremidade da série 1202 é presa em um dissipador de calor 1203. A outra extremidade da série 1202 é conectada em um conversor de energia primário 1201. O conversor de energia primário pode ser energizado quimicamente pelos gradientes térmicos, fotovoltaicos ou outros meios. O número de componentes 1202 pode ser de zero (0) a um número desejado, ambos inclusivos. A função principal dos componentes de 1202 é converter uma fração da energia do calor rejeitado proveniente do componente de conversão de energia previamente conectado para um potencial elétrico.
[0103]Uma modalidade pode incluir um conversor primário 1201, preso em uma série de conversores secundários 1202, um ou mais dos quais podem incluir uma junção dielétrico-condutor-dielétrico e conectados em série de forma elétrica e térmica e presos em um dissipador de calor.
[0104]Várias modalidades apresentam um dissipador de calor para os conversores de energia de estado sólido. Um dissipador de calor para esfriamento pode ser obtido de muitas maneiras, incluindo pelo fluxo convectivo, mudança de fase ou esfriamento evaporativo, e canos de calor. Reagentes ou componentes reagentes podem ser usados. Por exemplo, a figura 13 ilustra uma modalidade usando poros/furos 1303 com a estrutura suportando os conversores e com o interior do conjunto do conversor, através do qual o refrigerante pode fluir, reagentes podem fluir, aditivos podem fluir ou qualquer combinação desses materiais pode fluir. Não mostrado, mas também útil para esse aspecto, são canais, dutos ou canos ao invés de poros/furos 1303. Cada caso tem suas vantagens. Os materiais 1301 fluem do lado mais frio 1302, através dos poros ou furos 1303 para a região quente 1304. Ambos o lado frio 1302 e o lado quente 1304 podem incluir reagentes ou aditivos, e o lado quente é associado com ambos as exaustões e os fluxos de ar.
[0105]A evaporação dos reagentes 1301 no lado frio 1302, bem como o fluxo de materiais mais frios 1301 causa o esfriamento. Os reagentes 1301 podem ficar concentrados e abastecer rico perto da superfície quente da pilha 1305.
[0106]O uso de reagentes líquidos ou refrigerante evaporativo 1301 que se torna gás com o contato com a superfície de reação mais quente 1305 produz espécies gasosas desejáveis para processos de elétron quente quimicamente energizado.
[0107]Uma modalidade forma conversores diretamente sobre superfícies aerodinâmicas. Isso permite a geração direta da eletricidade, bem como o uso do gás gerado pela transformação do líquido-gás como fluxo de massa para impelir uma turbina ou outra extração mecânica de trabalho útil e geração de energia do eixo.
[0108]Uma modalidade usa ar líquido e outros gases líquidos 1301 para seu dissipador de calor de temperatura baixa em um gerador elétrico. O ar líquido e gases líquidos inertes similares podem produzir um dissipador de calor para a região 1302, o ar ambiente na região de exaustão 1304 pode proporcionar a fonte de calor e o dispositivo pode gerar com isso a eletricidade diretamente usando a diferença de temperatura. A transição da fase líquida/gasosa pode também operar um conversor de energia mecânica, tal como uma turbina, ao mesmo tempo.
[0109]Uma modalidade usa convecção natural para produzir o fluxo de ar. É observado que o volume do ar de esfriamento pode tipicamente ser de ordens de magnitude maior do que o volume do ar da reação.
[0110]Uma modalidade com base na figura 13 pode também representar o corte da geometria do tubo generalizado, tal como tubos achatados. Um tubo generalizado é revestido em uma ou mais faces com conversores de energia de estado sólido. “Tubo” aqui se refere a alguma coisa com qualquer geometria parcialmente oca, com qualquer espessura de parede relativa, incluindo paredes não uniformes. Por exemplo, um tubo pode ser achatado, de modo que ele se assemelha a duas lâminas com um espaço fechado entre elas para permitir o fluxo de gás ou fluido e com o volume fechado nas bordas.
[0111]Com referência à figura 14, uma unidade que pode ser empilhada elementar é colocada em uma estrutura que inclui uma ou mais da camada eletricamente condutora, da camada termicamente condutora e da camada de suporte estrutural.
[0112]Modalidades conectam e empilham mais do que um ou mais conjuntos de gerador de estado sólido para criar um volume de geradores elétricos. As pilhas podem ser conectadas eletricamente em série ou em paralelo.
[0113]Uma modalidade de uma unidade que pode ser empilhada elementar, mostrada em corte na figura 14, inclui o elemento chave: o conversor de estado sólido 1401 (que pode compreender conversores de energia primário e secundário ou somente primário) a ser conectado eletricamente com o lado positivo e energizado 1404 em cima e o lado negativo em baixo. Os conversores de energia são suportados e conectados com a conexão do eletrodo positivo 1402, conexão do eletrodo negativo 1403. A estrutura 1403, que pode incluir um ou mais de um elemento eletricamente condutor, um elemento termicamente condutor e um elemento de estrutura de resistência. O empilhamento envolve colocar a unidade que pode ser empilhada elementar em cima de outras unidades que podem ser empilhadas elementares, deixando um espaço acima da área ativa do conversor 1401 para energização e fontes de calor. O mesmo pode ser realizado em qualquer configuração ou disposição trabalhável.
[0114]A modalidade mostrada nas figuras 14-A e 14-B conecta os eletrodos positivos 1402, 1404 no eletrodo negativo 1403, através do conversor 1401. Embora eletrodos positivos 1402 e 1403 sejam mostrados, somente um precisa estar presente. Um corte disso é mostrado na figura 15. Observe que cada estrutura elementar da figura 15 pode ser empilhada recursivamente na direção vertical e/ou horizontal para formar uma matriz das estruturas empilhadas elementares tridimensionais.
[0115]A figura 14-B fornece detalhe relacionado com as conexões elétrica e térmica e interfaces que foram deixadas fora deliberadamente por clareza nas modalidades.
[0116]Na prática, aqueles versados geralmente na técnica usariam um de muitos métodos conhecidos para conectar o eletrodo no conversor. Com referência à figura 14-B, uma modalidade coloca o eletrodo positivo 1402 em um isolante 1405 formado diretamente sobre a estrutura 1403 e depois uma ponte elétrica 1406 é formada para conectar eletricamente o eletrodo positivo 1402 na extremidade positiva e superfície ativa 1404 do conjunto de conversor. O elemento de estrutura 1403 na prática incluiria um condutor elétrico conectado no lado negativo do conversor e também incluiria uma conexão térmica para o conversor. Uma modalidade simples forma a estrutura 1403 para ser tanto eletrica quanto termicamente condutora, por exemplo, uma folha de alumínio ou cobre de 5 mícrons de espessura.
[0117]Uma modalidade empilha as unidades que podem ser empilhadas elementares mostradas nas figuras 14-A e 14-B uma em cima da outra, formando um volume de conversores de energia do gerador elétrico. Reagentes e refrigerantes 1500 fluem para dentro dos espaços 1501 entre as pilhas e descarrega o fluxo para fora através dos espaços.
[0118]Outra modalidade conecta os conversores em série ao longo do plano da pilha conectando o eletrodo positivo no eletrodo negativo de conversores adjacentes no mesmo plano. Isso pode ser realizado de várias maneiras, uma das quais é mostrada na figura 16. Uma conexão elétrica 1602 é feita com o lado positivo e a superfície ativa de um primeiro conversor 1601A e é conectada em um condutor de interligação 1603 isolado por isolantes 1604. A interligação 1603 contata eletricamente o lado negativo 1605 de um segundo conversor 1601A. O espaçador isolante 1600 é mostrado de forma conceitual atrás de um conversor na figura 16. Os dois dispositivos em série se acomodam no substrato 1606.
[0119]Outra modalidade apresenta refrigerantes e/ou reagentes 1700 através do corpo de uma unidade que pode ser empilhada elementar que é mostrada na figura 17. Por exemplo, conversores de estado sólido 1701 e espaçadores 1702 são formados em uma estrutura e substrato 1703 dentro dos quais 1704 fluem reagentes e/ou refrigerantes 1700. Com referência à figura 18, o dispositivo dessa modalidade pode ser enrolado e os espaços 1705 (numerados como 1805 na figura 18) entre o rolo formado pelos espaçadores 1702 (numerados como 1802 na figura 18) e conversores 1701 (numeradas como 1801 na figura 18) permitem que os reagentes fluam para dentro e descargas possam fluir para fora dos espaços 1805. Os espaçadores 1702/1802 e as interligações elétricas são também mostrados na figura 17 por clareza. Conexões detalhadas poderiam também ser como essas explicadas na figura 16 e figura 14-B.
[0120]Em cada uma dessas modalidades, os conversores podem tomar muitas formas, incluindo as formas de pilares descritas acima e podem ser presos em muitas superfícies de formas quase arbitrárias.
[0121]A figura 19 mostra uma modalidade exemplar de um dispositivo no qual as emissões de fônons geradas pelas reações de adsorção e ligação em ou dentro das superfícies do catalisador, grupos ou nanoestruturas são convertidas em pressão de fluido hidráulico.
[0122]De acordo com a modalidade mostrada na figura 19, as pressões geradas pelos fônons direcionadas para dentro do corpo do catalisador em um primeiro lado do corpo do catalisador formam uma onda de fônon que pode ser guiada pela geometria do catalisador (ou substrato sobre o qual o catalisador pode estar situado), de modo que os fônons se movimentam para o outro lado do substrato e fazem uma pressão sobre o fluido. A espessura desse percurso deve ser menor do que a distância média sobre a qual a direção do fônon permanece substancialmente impassível. Os fônons chegam a um ângulo (um ângulo de “pastoreação”), tal que a pressão direcional e assimétrica dos fônons chegando aparece como movimento de onda no outro lado do corpo do catalisador que pressiona contra o fluido, tal como um metal líquido ou interface de sacrifício, fazendo com que ela se mova em uma direção paralela à superfície inferior. Um coeficiente negativo aparente de atrito entre a parede e o fluido é exibido devido ao movimento de onda ou impulsos direcionados ao longo da superfície do fundo do dispositivo.
[0123]O dispositivo exemplar compreende um substrato 1902 com superfícies superior e inferior tendo um padrão serrilhado, como mostrado na vista do corte da figura 19. A superfície inferior fica em contato com um fluido hidráulico 1904. Como mostrado na figura 19, o substrato pode ser imaginado como compreendendo uma pluralidade de subestruturas 1900 tendo seções transversais retangulares e dispostas adjacentes entre si em um ângulo com relação ao fluido hidráulico 1904.
[0124]Na superfície superior do substrato, cada subestrutura 1900 inclui uma camada 1901 compreendendo um catalisador. Em uma superfície lateral exposta entre subestruturas adjacentes, cada subestrutura 1900 inclui uma camada 1902 de material que é inerte com relação ao catalisador e aos reagentes. O corpo de cada su- bestrutura é compreendido de um substrato 1903, que também age como um guia de onda do fônon. Platina pode ser usada para a camada do catalisador 1901 e para o substrato 1903 com ar como o oxidante, etanol ou metanol como o combustível reagente de hidrocarboneto e água ou mercúrio como o fluido hidráulico 1904. O fluido hidráulico pode também servir como um refrigerante para o dispositivo, dessa forma permitindo a operação com alta densidade de força.
[0125]O catalisador 1901 e o substrato 1903 podem ser compreendidos do mesmo material, por exemplo, platina. Outros materiais de substrato podem ser usados com base em considerações estruturais, capacidade de fabricação e/ou combinação de impedância, de modo a maximizar a propagação do movimento do fônon para dentro do fluido hidráulico.
[0126]A espessura da camada do catalisador de platina 1901 e do substrato 1903 deve ser menor do que a trajetória livre média de mudança de energia dos fô- nons do ramo ótico ou fônons do ramo acústico de alta frequência, que é pelo menos da ordem de 10 nanômetros e pode ser tão grande quanto um mícron.
[0127]Métodos de nanofabricação podem ser usados para formar os modelos serrilhados nas superfícies do substrato 1902, com a dimensão de uma unidade de tal modelo sendo tão grande quanto 1 mícron.
[0128]Pelo depósito das camadas inertes 1902 como mostrado, por exemplo, nas facetas viradas para a direita do padrão serrilhado da superfície superior, uma direção preferencial é dessa forma estabelecida para reações e assim para a propagação do fônon, como indicado pela seta na figura 19.
[0129]Ondas acústicas, ultrassônicas ou de Rayleigh acústicas de gigahertz no lado do catalisador podem ser usadas para estimular a taxa de reação e sincronizar a emissão dos fônons. As ondas aumentam a magnitude da emissão do fônon e causam uma emissão coerente, grandemente aumentando o pico e a força média.
[0130]Em uma modalidade adicional, uma camada fina ou camadas de material são dispostas entre o substrato e o fluido. Essas camadas são compreendidas de materiais tendo impedâncias acústicas entre essa do substrato 1902 e do fluido hidráulico 1904, de modo a maximizar a transmissão do momento para o fluido hidráulico e minimizar as reflexões de volta para dentro do substrato 1904. O material deve ser selecionado, de modo que o módulo de compressibilidade e as propriedades de propagação do fônon do material fazem com que os fônons que emergem do substrato sejam transmitidos substancialmente para dentro do fluido com mínima reflexão e perda de energia.
[0131]Para aumentar as reações catalíticas, o catalisador e a estrutura do substrato podem adotar as formas porosas 3-D descritas nas figuras 4 a 9. Isso aumenta a área de reação e a taxa de reação para produzir um aumento na magnitude dos fônons gerados. Isso aumenta o movimento gerado por área projetada unitária.
[0132]Em uma modalidade adicional de um dispositivo, as emissões dos fô- nons gerados pelas reações catalíticas são convertidas em corrente elétrica por efeitos piezelétricos dentro dos materiais, à medida que os fônons impactam os materiais. Uma modalidade exemplar de tal dispositivo é mostrada na figura 20.
[0133]O dispositivo exemplar da figura 20 compreende uma camada de catalisador 2001 disposta em um elemento piezelétrico 2003, que é disposto por sua vez em um substrato de sustentação 2004. As camadas 2001, 2003 podem ser estruturas porosas tridimensionais como descrito aqui como dispositivos de estado sólido, acomodadas em um substrato em textura 2-D ou 3-D, que é rígido, flexível ou dobrável. A camada de catalisador 2001 pode ser realizada como um nanogrupo, nanocamada ou poço de quantum ou rede porosa 3-D. Condutores elétricos 2002 são fornecidos em extremidades opostas do elemento piezelétrico 2003 através do qual um potencial é desenvolvido, de acordo com a presente invenção. Na modalidade exemplar da figura 20, a camada de catalisador 2001 compreende platina, com ar como o oxidante e etanol ou metanol como o combustível reagente de hidrocarboneto. O elemento pi- ezelétrico 2003 pode compreender qualquer piezomaterial, incluindo semicondutores que não são normalmente piezelétricos, tal como InGaAsSb. O desacordo da treliça entre o semicondutor e a platina produz um esforço, geralmente chamado um potencial de deformação que induz as propriedades piezelétricas em semicondutores, ou materiais ferroelétricos ou piezelétricos com uma alta não linearidade, tais como películas finas de (Ba, Sr)TiO3, AlxGa1-xAs/GaAs e estruturas p-i-n de poço de quantum InGaAs/GaAs (111)B de camada forçada.
[0134]Onde o elemento piezelétrico 2003 é compreendido de um semicondutor, o semicondutor se torna um elemento de diodo que converte os fônons em eletricidade, coleta os elétrons como eletricidade e converte os fônons em eletricidade.
[0135]Na modalidade exemplar da figura 20, quando os reagentes interagem com a camada catalítica 2001, os fônons gerados pelas reações são conduzidos para dentro do material piezelétrico 2003. Como resultado, um potencial é induzido no material piezelétrico 2003 nos contatos elétricos 2002.
[0136]A geometria do substrato 2003 é de preferência tal, de modo a focar os fônons, de modo a aumentar a não linearidade do elemento piezelétrico 2003. Isso resulta na autorretificação dos fônons de alta frequência. Em uma modalidade exemplar, o elemento piezelétrico 2003 é preferivelmente curvado e formado como uma lente ou refletor de concentração, de modo a focalizar os fônons gerados pelo catalisador no material piezelétrico. A focalização dos fônons causa movimentos atômicos de grande amplitude no foco. Os movimentos atômicos induzidos por essa focalização faz com que o material piezelétrico se torne não linear, causando respostas não lineares, tal como a geração da eletricidade no material no foco. Isso, por sua vez, resulta no piezomaterial se tornando um retificador da corrente de alta frequência induzida pelo fônon.
[0137]Ondas acústicas, ultrassônicas ou de Rayleigh acústicas de gigahertz podem ser usadas no lado do catalisador do dispositivo exemplar da figura 20 para estimular a taxa de reação e sincronizar a emissão dos fônons, para aumentar a magnitude da emissão do fônon e para causar a emissão coerente, aumentando muito o pico e a força média entregue para o material piezelétrico 2003. As ondas de Rayleigh acústicas aceleram as reações de oxidação nas superfícies do catalisador de platina. As ondas acústicas de superfície podem ser geradas na superfície do catalisador 2001 usando um gerador (não mostrado). Tais ondas podem ter frequências acústicas, ul- trassônicas ou de gigahertz. As ondas de Rayleigh induzem reações, de modo a sincronizar as reações, o que por sua vez sincroniza a emissão dos fônons. O resultado é um feixe de pulsação das reações, que aumenta a força entregue para o material piezelétrico 2003.
[0138]A frequência de operação do dispositivo da figura 20 fica preferivelmente na faixa do GHz e menor, de modo que a retificação das correntes alternadas produzidas pelo material piezelétrico 2003 pode ser realizada com meios convencionais, tal como com diodos semicondutores.
[0139]Em uma modalidade exemplar adicional, a radiação eletromagnética, tal como os fótons de infravermelho emitidos pelos produtos de estado excitados, tal como radicais altamente excitados de forma vibracional e moléculas do produto final, é convertida em eletricidade de forma fotovoltaica. A emissão estimulada de radiação é usada para extrair a energia dos produtos de estado excitado, tal como moléculas de produtos de reação e radical altamente excitados de modo vibracional tanto na superfície do catalisador quanto da sua dessorção. A energia extraída aparece na forma de um feixe coerente ou um feixe super-radiante de infravermelho ou energia ótica. As frequências da radiação correspondem com fundamentos (mudança do número de quantum de vibração de 1) ou sons secundários (mudança do número de quantum de vibração 2 ou maior) das frequências de vibração no modo normal dos reagentes. Várias frequências diferentes podem ser extraídas simultaneamente nessa invenção. Embora o feixe coerente resultante seja útil por si próprio, esse feixe de alta intensidade pode também ser convertido de forma fotovoltaica em eletricidade. De acordo com a presente invenção, tais emissões são criadas pelas reações nas superfícies do catalisador e são aceleradas pelo uso das cavidades óticas. A figura 21 mostra uma modalidade exemplar de um gerador elétrico para executar tal conversão.
[0140]O dispositivo da figura 21 compreende um ou mais substratos 2101 (por clareza, somente um dos quais é numerado), no qual um catalisador 2102 (por clareza, somente um dos quais é numerado) é disposto em uma pluralidade de ilhas, nanogrupos, grupos de poço de quantum ou pontos de quantum. Os grupos de catalisador são suficientemente separados (por exemplo, dezenas de nanômetros ou mais) e o substrato é feito suficientemente fino (por exemplo, menor do que um centí-metro de espessura ótica total), de modo que a absorção de IR é amenizada nas frequências da emissão da espécie. O conjunto dos grupos de catalisador nos substratos 2101 é substancialmente transparente para as radiações da reação. O catalisador 2102 é preferivelmente de platina ou paládio. O dispositivo preferivelmente compreende uma pluralidade de substratos 2101 empilhados, de modo a permitir um vo-lume de reações. Novamente, além disso, para aumentar as reações catalíticas, as estruturas de catalisador/substrato podem ser de quaisquer formas descritas previamente nas figuras 4 a 9.
[0141]A pilha de catalisador-substrato 2101/2102 é fechada em uma cavidade ótica tendo um elemento altamente refletivo 2103 e um elemento menos refletivo 2104 disposto como mostrado na figura 4. A cavidade ótica e a pilha de catalisador-substrato 2101/2102 são preferivelmente ressonantes para as radiações de reação ou seus sons secundários. A cavidade ótica pode ser usada para estimular a radiação do som secundário, isto é, a radiação de múltiplos polos onde a mudança no número do quan-tum é 2 ou mais, para aumentar a energia da radiação. A cavidade ótica preferivelmente tem múltiplas frequências, como em uma cavidade Fabrey-Perot, que são sintonizadas para os sons secundários das frequências da espécie.
[0142]Um combustível 2107, tal como hidrogênio, etanol ou metanol e um oxidante 2108, tal como ar, são introduzidos na cavidade ótica onde eles interagem com a pilha de catalisador-substrato 2101/2102. Misturas pobres de combustível podem ser usadas, de modo a minimizar a transferência ressonante, troca ou queda da energia vibracional do estado excitado para outras espécies da mesma composição química na corrente de exaustão, durante o tempo em que essas espécies estão na cavidade ótica e o conversor fotovoltaico 2105 coleta a radiação e a converte em eletricidade. A trajetória de exaustão 1209 segue.
[0143]Um dispositivo sincronizador e iniciador de emissão estimulada 2112 é usado para iniciar e sincronizar as emissões na cavidade ótica. O dispositivo 2112 pode ser um oscilador de emissão estimulada geralmente disponível e pode ser acoplado no dispositivo da presente invenção por maneiras conhecidas. A cavidade ótica pode ser projetada em uma maneira conhecida para criar a emissão estimulada da radiação. Uma célula fotovoltaica tipicamente não é muito eficiente na conversão de fótons de IR de longo comprimento de onda (1000 a 5000 por centímetro) característico das reações catalíticas. A saída de alta força de pico do dispositivo 2112 remedia essa situação e torna a célula fotovoltaica de IR mais eficiente.
[0144]Um conversor fotovoltaico 2105 é colocado fora do volume da pilha de catalisador-substrato 2101/2102 em qualquer lugar visível para a radiação emitida. Tal colocação permite o esfriamento do coletor fotovoltaico 2105 usando métodos conhecidos. Os condutores da saída elétrica 2106 do coletor fotovoltaico 2105 podem ser acoplados em um dispositivo de armazenamento de energia elétrica 2111 via um diodo 410. A saída do conversor fotovoltaico 2105 fica em pulsos com a taxa de pulso tipicamente sendo maior do que um megahertz. O dispositivo de armazenamento de energia elétrica 2111 pode compreender, por exemplo, um capacitor, supercapacitor ou bateria. Dada a alta frequência da saída pulsada, um capacitor usado como o dispositivo de armazenamento 2111 pode ser muito compacto. O capacitor precisa somente ser grande o suficiente para coletar a energia de um único pulso. A energia armazenada no capacitor pode assim ser milhões de vezes menor do que a energia entregue pelo conversor 2105 em um segundo.
[0145]Os reagentes químicos na superfície do catalisador permitem transições de som secundário porque eles são parte de uma “escada” de transições e fortemente polarizados na superfície do catalisador, o que permite que todas as transições tenham elementos de matriz de transição de radiação bipolar diferente de zero. Também, os reagentes não tem sujeira rotacional associada com as moléculas livres em um gás porque elas estão presas na superfície e não podem girar. Esses aspectos permitem uma amplificação de luz de som secundário quase monocromática pela emissão estimulada da radiação.
[0146]A energia eletromagnética irradiada pela estimulação da espécie, como na modalidade da figura 21, pode ser formada em radiações policromáticas, quase monocromáticas, de alto brilho ou feixes coerentes.
[0147]Em cada uma das modalidades acima descritas que inclui semicondutores fotovoltaicos, o catalisador é preferivelmente operado em uma alta densidade de força de superfície, por exemplo, além de 10 watts por centímetro quadrado ou com uma densidade de força de superfície de pico de pelo menos um watt por centímetro quadrado, para aumentar a eficiência dos semicondutores fotovoltaicos.
[0148]Os presentes métodos, dispositivos e sistemas melhoram a eficiência da conversão de energia das junções usadas nos dispositivos de estado sólido para gerar eletricidade. Uma fonte de energia injeta transportadores de carga, por exemplo, elétrons, em um lado de uma junção. Quando um excesso líquido de transportadores de carga é injetado de um lado de uma junção para o outro, ele será forçado a se movimentar no circuito externo pelo campo elétrico. O resultado é a conversão da energia química para a forma útil de uma energia elétrica. Um elemento das modalidades é que a eficiência desse processo é melhorada quando o transporte de carga ou a mobilidade é melhorado no material semicondutor.
[0149]Um mecanismo alternativo para gerar força é criar uma diferença de potencial eletroquímico entre a rede de nanofios ou redes/camadas porosas nanoprojetadas e o catalisador que pode agir como uma força eletromotriz (EMF). A superfície do semicondutor/catalisador pode favorecer uma das reações de oxidação ou redução, efetivamente dividindo as duas reações. Isso pode criar um gradiente de potencial eletroquímico entre o local do catalisador e a superfície do semicondutor, que pode induzir uma força eletromotriz (EMF) em um circuito externo e acionar uma carga.
[0150]Uma modalidade inclui a formação de nanofios ou redes porosas nano- projetadas/camadas feitas de dielétrico ou semicondutor incluindo, mas não limitado a, por exemplo, TiO2 de rutílio, TiO2 de anatásio, TiO2 policristalino, TiO2 poroso, ZrO2, SrTiO3, BaTiO3, Sr_x-Ba-y-TiO-z, LiNiO, silício, Al2O3, ZnO, SiC, GaN, GaAs, Ge, sílica, carbono, óxidos de nióbio, tântalo, zircônio, cério, estanho, vanádio e LaSrVO3 e certos semicondutores orgânicos, tais como PTCDA ou 3,4,9,10-perilenotetracarboxi- licacido-dianidro. Os subscritos x, y e z representam concentrações, por convenções usuais. Uma vantagem de SrTiO3 é que as barreiras Schottky nele podem ser desprendidas, produzindo uma barreira relativamente maior comparada com essa do TiO2.COMBUSTÍVEIS, OXIDANTES, AUTOCATALISADORES, ESTIMULADORES
[0151]Os vários dispositivos conversores de energia química descritos aqui usam reagentes armazenáveis incluindo oxidantes, aceleradores de reação autocata- líticos, desaceleradores e monopropulsores. A fase líquida, tal como H2O2 de peróxido de hidrogênio líquido na pressão e temperatura padrões, são convenientes porque o seu calor de vaporização é usado como refrigerante e o líquido é convenientemente armazenável. Monopropulsores, tais como H2O2 e monometilidrazina (MMH) são similarmente convenientes e energizam a superfície ativa dos conversores. Aceleradores autocatalíticos incluem monopropulsores, tal como H2O2.
[0152]Uma modalidade usa reações e reagentes para energizar essas excitações. As reações, os reagentes e os aditivos incluem pelo menos monopropulsores, combustíveis de alta energia com oxidantes, misturas hipergólicas e aditivos e combinações de reagentes conhecidos para produzir a espécie autocatalítica, reagentes escolhidos para acelerar as reações ou para controlar as reações e suas combinações. Os reagentes e/ou aditivos incluem, mas não são limitados aos reagentes seguintes:Combustíveis energéticos mais armazenáveis do que amônia:amônias substituídas por aminaDi-metil-amina (CH3)2NHTri-metil-amina (CH3)3NMono-etil-amina (C2H5)NH2Di-etil-amina (C2H5)2NH)Outras classes mais facilmente armazenáveis:Metanol, CH3OHEtanol, EtOH CH3CH2OH Ácido fórmico, HCOOH combustíveis diesel gasolina alcoóispastas fluidas incluindo combustíveis sólidosSubóxido de carbono, C3O2, CO=C=CO,Formaldeído HCHO,Paraformaldeído, = melhor HCHO)n, sublimável para gás de Formaldeído. (Potencialmente um refrigerante de célula ao mesmo tempo).Combustíveis menos armazenáveis:Monóxido de carbonoHidrogênioAmônia NH3Combustíveis energéticos contendo nitrogênio: Nitrometano, CH3NO2,Nitrometano “cortado” com metanol = combustível de motor de “vela de ignição” de avião modeloCombustíveis de alta energia com larga relação de combustível/ar:Epóxi-etano, = oxirano ou etileno-óxido CH2-CH2 O1, três-époxi-propano = oxetano e tri-metileno-óxido = 1, três-metileno-óxido CH2-(CH2)-CH2 OEpóxi-propano CH2-(CH2)-CH2 OAcetileno, C2H2Diacetileno = 1,três-butadieno1,três-butadieno CH2=CH-CH=CH2,Combustíveis de alta energia menos exóticos:Di-etil-éter ou éter cirúrgicoAcetona = Di-metil-cetonaCombustíveis voláteis, menos exóticos:Ciclo-propanoCiclo-butanoHidrocarbonetos, tais como metano, propano, butano, pentano, etc.Outros combustíveis armazenáveis:Metil Formato HCOO-C2H5Formamida HCO-NH2N,N,-Di-Metil-Formamida HCO-N-(CH3)2Etileno-diamina H2N-CH2-CH2-NH2Etileno-glicol1,4-dioxano = éter cíclico bimolecular de etileno-glicolParaldeído trimer cíclico (CH3CHO)3 de acetaldeídoOxidante poderoso:Tetra-nitro-metano, C(NO2)4 ... não decompõe espontaneamente ... apenas passa os dois vapores separados sobre a superfície de reação da célula na fase gasosaPeróxido de hidrogênio H2O2Misturas com baixa energia de iniciação:Ciclo-propano com oxigênio = anestésico cirúrgico, iniciador de microjoules Hipergólicos:UDMH = hidrazina dimetil não simétrica = 1,1-dimetil hidrazina (CH3)2NNH2UDMH é hipergólica geralmente com N2O4 e é um carcinogênio muito potente MMH monometil hidrazina (CH3)HNNH2 hipergólico com quaisquer oxidantes, por exemplo, N2O4Monopropulsor energético tóxico corrosivo:Hidrazina = H2NNH2 decomposto facilmente com um catalisador (geralmente Pt ou Pd ou óxido de molibdênio)Hidrato de hidrazina
[0153]Embora várias modalidades tenham sido descritas com relação aos exemplos específicos e subsistemas, será evidente para aqueles versados na técnica que os conceitos revelados aqui não são limitados a esses exemplos específicos ou subsistemas, mas se estende para outras modalidades também. Incluídas dentro do escopo desses conceitos estão todas essas outras modalidades como especificado nas reivindicações que seguem.

Claims (14)

1. Dispositivo de conversão de energia (400) para conversão de energia química em eletricidade, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:um primeiro eletrodo (410);um substrato formado no dito primeiro eletrodo (410);uma camada semicondutora porosa (415) formada sobre o dito substrato, a dita camada semicondutora porosa tendo uma estrutura nanoprojetada formando uma rede semicondutora;um material catalisador poroso (420) em pelo menos uma porção da dita camada semicondutora porosa (415) que contata um combustível e um oxidante, em que pelo menos um pouco do material catalisador poroso entra na estrutura nanopro- jetada da camada semicondutora porosa para formar uma região de entrelaçamento, o material catalisador poroso (420) e a camada semicondutora porosa (415) formando uma junção de estado sólido;um segundo eletrodo (425) formado sobre o material catalisador poroso (420), em que elétrons do material catalisador poroso (420) são injetados balisticamente no interior da camada semicondutora porosa (415), em que um potencial elétrico é formado entre o primeiro eletrodo (410) e o segundo eletrodo (425) durante reações químicas entre o combustível e o material catalisador poroso, os elétrons do material catalisador poroso são atraídos para o primeiro eletrodo (410), e os elétrons viajam em um circuito externo do primeiro eletrodo (410) para o segundo eletrodo (425) antes de retornar ao material catalisador poroso (420); eum dissipador de calor que remove o calor do gerador elétrico de estado sólido, o dissipador de calor tendo uma temperatura de dissipador de calor mais alta do que a temperatura ambiente.
2. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o substrato é modelado para criar uma superfície tridimensional, proporcionando assim a área de superfície maior para as reações químicas.
3. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada semicondutora porosa (415) é modelada, tal que nanofios são formados.
4. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o substrato é texturizado de modo que picos e vales são formados.
5. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda compreende uma camada semicondu- tora não porosa entre o substrato e a camada semicondutora porosa (415).
6. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o próprio substrato é bidimensional e plano.
7. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o próprio substrato é tridimensional e possui superfícies internas e externas.
8. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o substrato é um dentre: rígido; flexível; e do- brável.
9. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a junção de estado sólido é um dentre: diodo Schottky e uma junção p-n.
10. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a junção de estado sólido é uma junção de condutor-dielétrico, dielétrico-dielétrico, condutor-dielétrico-condutor ou uma junção dielétrico-condutor-dielétrico.
11. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada semicondutora porosa (415) compreende um material semicondutor escolhido de um grupo de materiais incluindo cristalino, policristalino ou TiO2 poroso, SrTiO3, BaTiO3, Srx-Bay-TiOz, carbureto de boro, LiNiO, Al2O3, ZnO e LaSrVO3 e semicondutores orgânicos compreendendo PTCDA ou 3,4,9,10-perilenotetracarboxilicácido-dianidrido.
12. Dispositivo de conversão de energia (400), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o material catalisador poroso (420) compreende um grupo de condutores nanoscópicos tendo cobertura porosa descontínua sobre a camada semicondutora porosa (415), uma pluralidade de grupos nanoscópicos ou um grupo nanoscópico compreendendo um catalisador.
13. Sistema de conversão de energia, de acordo com a reivindicação 1, CA-RACTERIZADO pelo fato de que compreende um ou mais dispositivos de conversão de energia (400) conectados eletricamente em série, eletricamente em paralelo ou combinações de série e paralelo.
14. Sistema de conversão de energia, de acordo com a reivindicação 1, CA-RACTERIZADO pelo fato de que compreende: um ou mais dispositivos de conversão de energia (400) conectados termicamente em série, termicamente em paralelo ou combinações de série e paralelo.
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