本发明专利涉及水氢能源领域，具体为一种崭新可以取代氢气能源能量形式及产生和应用机制。
背景技术：
水氢能源是可能能源的未来。自从tio2光催化剂在光照下具有分解水到氢气[1]的功能的发现，这带来了便宜水氢清洁可再生能源成为现实的希望。大量研究专注于不同能隙催化剂怎样将丰富的太阳能应用起来打开水中氢氧键获得氢气[2-4]。研究者发现催化剂的能隙从3.2ev到1.5ev都具有从水中产生氢气的功能。但有一个关键的问题从来没有研究者涉及过。太阳能是怎样被催化剂吸收来打断水中水分子的氢氧键？这种能量转换的机制是什么？水是一种已经被深入研究的物体，水中水分子的氢氧键键能是公认的大约4.8ev。问题就来了，即使我们知道了光催化剂吸收太阳能可用于打开氢氧键，最大能隙的3.2ev光催化剂既使完全将吸收的太阳能3.2ev转化成打开键能的能量也不足以提供4.8ev的打开氢氧键的键能能量的功能。更不谈1.5ev能隙的光催化剂(虽然实验证明[4]1.5ev能隙的cufeo2催化剂在水中具有产生氢气的功能)，是怎么样有能力打开水中水分子的氢氧键？)。本专利提出并发明了和回答了这个问题并根据我们的发明。我们提出了直接将光催化剂的内禀电子动能转化成热能而提供外界所需的能源的新概念，这样避免了用光催化剂作为中间介质而产生氢气的复杂新能源的产生、转化成能源和安全储存问题。这种新能源比起氢能源等新能源的优势是：可重复无限从自然矿物质中提炼，并且产生和能量转化过程简单，可以完全按需要设计输出，不需要储存过程。另外一个最唯一的优势是不需要外界自然能量，不受天气影响，可以24小时不停提供能源。使得本专利系统应用成本非常低和有效。可以应用到所有能源需求领域。具有旷世可市场化价值。
技术实现要素：
一、光催化剂不光是传统化学意义上的加速促迸化学反应的中间物，还是一种可以放大所吸收的太阳能的能量载体。并且这种能量可以反复无限使用(就象没有动力的人造卫星可以在太空绕着地球永远绕行一样，这个能量就是原子核与轨道电子的轨道动能)，而且光催化剂本身不会因为内部电子的跃迁而退化(太阳能板能够长期使用就证明了这点)。这是人类科学史上第一次认识到的一种可以被重复无限利用的对环境无影响的且可用于人类日常能源需求的自然内禀能量！以tio2和cufeo2为例。这个能量就是电子激发到导带上的3d轨道上所具有的电子轨道动能。按照原子物理的定义，n轨道电子轨道动能公式是：
en＝-13.6(z*/n)2(ev)(1)
z*是有效核电荷数。有效核电荷数可用斯特莱法则近似计算：即对n层电子：(n 1)层及更外层电子的屏蔽常数为零，同层电子之间取0.35(但第一层电子之间取0.3)；(n-1)层对n层电子的屏蔽常数是0.85；(n-2)层及更内层电子的屏蔽常数是1；有效核电荷数是原子核电荷数减去所有屏蔽电子数的总和。
对ti轨道电子的分布是(1)2(2)8(3)10(4)2,括号内数字是电子轨道数，外面的数字是同一轨道的电子数。ti3d电子的轨道有效核电荷数是22-(2x1-8x0.85-9x0.35)＝10.45。ti3d轨道电子动能＝-13.6(10.45/3)2＝-164.86ev。
对fe轨道电子的分布是(1)2(2)8(3)14(4)2，fe3d电子的轨道有效核电荷数是26-(2x1-8x0.85-13x0.35)＝13.05。fe3d轨道电子动能＝-13.6(13.05/3)2＝-257.35ev。
当低能量的价带电子在吸收外加能量跃迁到导带(亚平衡态)上面时，跃迁电子就获得了导带的高轨道电子动能。象tio2和cufeo2，导带是3dti和fe轨道，显然跃迁的电子只是吸收了很小的外加能量(如tio2只有3.2ev和cufeo2只有1.5ev)。导带上的电子动能分别是164.86ev和257.35ev。很明显，吸收的太阳能不足以打开4.8ev的氢氧键键能。但光催化剂的导带轨道电子动能足以打开4.8ev的氢氧键键能。所以吸收的外界太阳能并没有直接作用在打开氢氧键上，而是提供给光催化剂产生高轨道电子动能，高轨道电子动能打开氢氧键。
二、半导体光催化剂导带轨道电子动能因为导带电子从亚稳态在正负电荷相吸的微拢作用下从高动能的导带崩塌到水分子中的氢离子附近(水分子是极性分子，氢离子带正电)所释放出来的动能足以打开4.8ev的氢氧键，所以水分解氢气的半导体光催化剂具有将吸收的极小的外界能量通过可重复利用的导带轨道电子动能放大到可以打开水中水分子的氢氧键。氧离子因为带2个多余电子马上提供给价带的空穴上使得光催化剂还原成原来未被激发状态，可以重复吸收光子又提供高动能的内禀轨道电子为外界提供能量。这个过程无限重复可以为外界提供无限能量。从理论上可以理解光催化剂本身可以产生无限能量但结构稳定因为光催化剂内部原子的外壳层电子的变化并不影响光催化剂材料的结构稳定性，实验上不管光电半导体或者光催化剂材料在应用中都是很稳定的。所以光催化剂可以无限提供能量而保持结构稳定性。
三、水蒸汽在半导体光催化剂中更容易形成离子势来吸引导带的高轨道能电子离开导带原子能级形成可移动的能量载体。传统的水光催化剂实验都是将催化剂浸泡在水中。所以大部分实验不具有工作长久性并且效率越来越低。原因是因为水中水分子之间具有小于1ev的结合能(因为水中水分子之间有结合能，外加能量怎么转化成打开水分子之间的结合是一个技术上的问题，我们在本发明中提出将水变成水蒸汽，这样在水分子分解氢气中，我们不需要考虑水分子之间的结合能)。水分子无法进到催化剂里面，水在光催化剂的作用下的反应只在光催化剂的表面进行，大部分吸收的光能的催化剂体内电子-空穴又重新组合使得效率低。另外，大量极性水分子饱合在光催化剂周围，使得吸收太阳能的价带电子在激发过程中由于极性水分子的正电吸引到不了导带形成打开氢氧键所需要的能量，这可能是催化剂失效(现在普遍认为是水锈化了光催化剂)的原因。如果吸收太阳能的价带电子被极化水分子拦截，不具有跃迁到半导体催化剂的导带上的轨道电子动能。使得半导体光催化剂高轨道电子动能的功能失效。而水蒸汽中的水分子己是单个无连结的极性水分子。如果我们先将水变成水蒸汽，然后通入己吸收外界能量价带电子己经激发到导带的光催化剂体内，这样水分子就容易进到光催化剂里面进行水分解(而不只是直接将催化剂放在水里，只有光催化剂的表面具有分解水分子的功能)。
四、引进静电场将水蒸汽有序极化并且水分子的极化方向是单个水分子的排列能最大量他地进入光催化剂并且使得水分子的阳极与催化剂中具有导带特征的原子比较靠近可以容易吸引导带上的具有高轨道动能的电子到从轨道上分离形成高动能电子，进而游离到电炉盘产生热量。
五、本发明引入光催化剂在没有水蒸汽的条件下吸收外界能量将光催化剂的价带电子激发到高电子轨道动能能量的导带上然后导入有序极化的水蒸汽两个时间步骤，两个步骤之间引入凤干器将光催化剂里的剩余水分子吸干使得光催化剂的吸收外界能量激发价带电子到导带和释放高导带电子轨道动能的功能分成二步让光催化剂的功能得到完整发挥。
六、本发明引入高能效初始激发源(如led或者oled等)作为唯一外加能源激发光催化剂的价带电子跃迁到高轨道电子动能的导带上。这样不断提砾炼光催化剂里的内禀轨道动能(如tio2中164.86ev-3.9ev＝160.96ev(这里我们假设高能效初始激发源的能效率是70％，对金红石led需要输入3.9ev的外加能量))。既此我们可以得到大约160.96ev输出能量。这是本专利的最耀眼之点。既光催化剂本身是一个能量提供体，并且此能量因为单次释放量级低对环境友好而因为可重复不停提取而可应用于各种需求。
七、本发明根据分析从1972年首篇[1]光催化剂所有实验。我们发现光催化剂实际上是一种能量载体。这种能量的特征是：1.单次能量释放数量级低(大概160ev)，这种能量释放对自然环境没有任何影响；2.存在于自然矿物质中，容易生产和提炼，3.可重服反复从矿物质中提炼以适用不同场合能源需求。这种能量形式与广泛应用的人造卫号星在地球引力轨道中运行的能量形式类似，只不过是电子轨道动能。我们可以将电子轨道动能用图示的电炉盘直接转化成热能作为应用。对环境清洁安全，并且可以按照能量需求设计输出，减少了大部分能源应用需要昂贵的储存运输过程。我们粗略估算一下金红石tio2的能量密度。金红石tio2的能隙是3ev，一般led和oled达到70％能效率是很常见的，激发一个电子从金红石tio2的价带到导带所需能量是3.9ev，而电子在导带上自动获得164.86ev电子动能，这个过程可获得(164.86ev-3.9ev)＝160.9ev的额外能量(这个能量并不是无中生有，而是由原子核外的电子轨道动能产生)。因为金红石tio2的分子中有2个氧原子，而每个氧原子中有6个p电子，这样一个金红石tio2分子可以获得160.9evx2x6＝1930.8ev能量。我们必须要能量打断6个水分子的键以满足12个空穴需求的电子，所耗能量是4.8evx2x6＝57.6ev。所以金红石tio2分子可以提供的输出能量应是1930.8ev-57.6ev＝1873.2ev，换算成金红石tio2的能量密度大约628.48千瓦小时/公斤。因为在金红石tio2的能量输出中是直接将电子的动能通过电热盘如图示转换成热能为外界所用。我们预期实验能量密度与本发明的估计非常接近。
图示说明：水箱里可以用任何水(海水、污水等各种水)经初步过滤到水蒸器发生器产生蒸汽，然后经过弱电场将水蒸汽有序极化进入己经被人造光激发了的tio2容器里，水分子被激发了的高动能电子打断氢氧键形成氢离子和氧离子，氧离子提供两个电子给价带空穴使得tio2恢复到激发前状态，然后通入干凤将容器中的剩余水蒸汽等凤干；干风由风干器产生由凤扇将带有干燥剂介质的干风吹进容器。容器四周有高效光源提供光子激发tio2形成高动能轨道电子。tio2必须成粉末状并且tio2必须要小到每一个方向都可以直接接受光照射。每一次有序极化水分子进入容器和高效光源激发tio2形成高动能轨道电子两个过程由自动控制分开以达到长久有效利用光催化剂的目的。密密麻麻的细铜导线嵌入tio2里面引导高动能电子到电热盘产生输出能量，静态电子可以集中起来形成电池作为另一种输出能量。
这个能量密度是氢气的能量密度33.6千瓦小时/公斤大约20倍。这可能是人类科学上可达到的最高能量密度的绿色可重复使用且安全便宜的能量载体。产生水蒸汽的所需能量分两部分：第一部分是沸腾水变成水蒸汽的能量，根倨文献，在标准大气压下(101.325kpa)水的汽化热是2260焦耳/克。大概相当于0.4ev/水分子(这个数值与公认的水分子之同的吸引力小于1ev是一致的)。另外根据水的比热是4.2x103焦耳/千克/度。我们可以得到水如果从0℃上升到沸点(100℃)需0.078ev/水分子。这个结果与公知水从沸点蒸汽所需能量是大约5倍水上升100℃听需能量一致。所以水从零度到蒸汽所需总能量是0.478ev/水分子。这样如果包括所有外加能量的损耗我们估测大约有1个电子伏特的消耗，但这个能量诮耗不会影响我们对能量密度估测多少。
八、在本发明中我们引入光催化剂是一个能量载体的全新概念。并且发现了这个能量是由导带的轨道电子动能提供，有了这个概念我们就可明白外加3.2ev的能量怎样打开4.8ev的氢氧键，并进一步理解文献[1]中为什么氧气是从光催化剂端产生，而氢气是从连结光催化剂的导线的另一端产生。这是因为导带电子的轨道动能打开了氢氧键，氧离子提供电子给价带空穴形成氧气。然后带有动能的电子经过导线的传输损耗一部分动能再打开氢氧键，低或静动能电子被氢离子吸咐形成氢气。从这个原理出发。我们引入新的能量输出机制。可以直接将轨道电子动能转化成热能作为输出能量，这样减少了氢能转化的复杂机制。可以提高能量转化效率和节省成本。而电子轨道动能就象我们成功应用了很多年的人造卫星绕地球的引力能一样，可以无限反复使用，这为这种清洁能源提供了无限空间。基于本发明，我们可以实现输出能量按需提取，减少了储存和运输这个昂贵且危险的环节，让新能源市场成为一个便宜可实现的现实。我们期望这个发明将开启清洁可再生能源的一个新纪元。
九、以上所述，仅是本发明的基本原理和执行过程。并非对本专利作任何限制。本领域技术人员利用上述揭示的原理和方案做出些许筒单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的法律保护范围内。
附图说明
图1是本发明实施例提供的取代氢气能源能量形式及产生和应用机制示意图；
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
1.应用本专利发明的所有光半导体催化剂自禀电子轨道动能的所有商业行为。
2.所有的高能效率的初始激发光源(如高效led或者oled等)可以将光催化剂的价带电子激发到导带的所有商业行为。
3.一种特殊过程可以将光半导体催化剂里价带的自禀电子轨道动能转化成热能及衍生各种应用能量的设计。
4.本专利提出的两步法提高光半导体催化剂的效率和使用寿命的设计。
5.一种利用弱静电场使得水蒸汽中水分子按照水分子极性有序分布并且这种水分子有序分布使水分子的最小距离及极化方向可以最大化的进入光半导体催化剂中并且水分子的极化正极是直接面对光半导体催化剂的导带层、这样水蒸汽中水分子容易进到光半导体催化剂里面并诱导导带电子离开导带原子从而跌落到氢离子上提供能量打开氢氧键的设计的所有商业行为。
6.本发明图中任何设计的所有商业行为。
技术总结