專利名稱:用于提高室內空氣質量的雙功能的層狀光催化劑/熱催化劑的制作方法
背景技術:
本發明通常涉及光催化劑/熱催化劑,其包括金屬/二氧化鈦或金屬氧化物/二氧化鈦的內層和二氧化鈦或金屬氧化物/二氧化鈦的外層,所述外層將吸附到光催化/熱催化表面上的空氣中的氣態污染物氧化形成二氧化碳、水和其它物質。
室內空氣可能包括痕量的雜質,包括一氧化碳、臭氧、和揮發性有機化合物,如甲醛、甲苯、丙醛、丁烯和乙醛。吸收劑空氣過濾器,如活性炭,已經用于從空氣中除去這些雜質。當空氣流過過濾器時,過濾器阻止雜質通過,允許不含雜質的空氣從過濾器流過。使用過濾器的缺點是它們簡單地阻止雜質通過而并不破壞它們。另外,空氣過濾器對于阻止臭氧和一氧化碳來說沒有效果。
二氧化鈦已經用作空氣凈化器中的光催化劑,用于破壞雜質。當用紫外光照射二氧化鈦時,光子被二氧化鈦吸收,促進電子從價帶到達導帶,從而在價帶中生成空穴并在導帶中加入電子。受到促進的電子與氧氣反應,留在價帶中的空穴與水反應,形成反應性的羥基。當雜質吸附到二氧化鈦催化劑上時,羥基進攻雜質并將其氧化為水、二氧化碳和其它物質。
摻雜或用金屬氧化物處理的二氧化鈦可以增加二氧化鈦光催化劑的效能。但是,二氧化鈦和摻雜的二氧化鈦在氧化一氧化碳方面不太有效或無效。一氧化碳(CO)是一種無色、無嗅的由烴類燃料的不完全燃燒產生的有毒氣體。一氧化碳所造成的死亡比任何其它的毒物都要大,并且在封閉的環境中尤其危險。金可以負載在二氧化鈦上起到用于將一氧化碳在室溫下氧化為二氧化碳的有效熱催化劑的作用。
就光催化而言,單獨的二氧化鈦對于分解臭氧來說不太有效。臭氧(O3)是由通常在工作場所存在的設備,如復印機、打印機、掃描儀、等釋放的污染物。臭氧可能會導致惡心和頭痛,在臭氧延時照射時會損害鼻粘膜,產生呼吸問題。OSHA已經設定臭氧的容許照射界限(PEL)為在八小時周期內0.08ppm。
臭氧是熱力學不穩定的分子,其在溫度高達250℃時會極緩慢地分解。在環境溫度下,氧化錳能通過有助于將臭氧氧化為吸附的表面氧原子而有效分解臭氧。然后,這些吸附的氧原子與臭氧結合形成可解吸為分子氧的吸附的過氧化物。
因此,需要將吸附到光催化表面上的氣態污染物,包括揮發性有機污染物、一氧化碳和臭氧氧化并分解形成二氧化碳、水、氧氣及其它物質的催化劑。
發明概述 基材上的層狀光催化劑/熱催化劑涂層通過將吸附到所述涂層上的雜質氧化或分解成水、氧氣、二氧化碳和其它物質來純化建筑物或交通工具中的空氣。
風扇將空氣吸入到空氣凈化系統中。空氣流過蜂窩結構的開口通道或通路。蜂窩結構的表面上涂有層狀光催化/熱催化涂層。位于連續的蜂窩結構之間的紫外光源活化所述涂層。所述涂層包括金屬/二氧化鈦或金屬氧化物/二氧化鈦內層和二氧化鈦或金屬氧化物/二氧化鈦外層。
在一個實例中,內層是金/二氧化鈦。在室溫下,金/二氧化鈦內層將一氧化碳氧化為二氧化碳。當一氧化碳吸附在金/二氧化鈦涂層上時,金起到氧化催化劑的作用,并在氧氣的存在下降低一氧化碳氧化為二氧化碳的氧化能障。
在另一個實例中,內層是氧化錳/二氧化鈦。在室溫下,氧化錳/二氧化鈦涂層把臭氧分解為氧氣。當臭氧吸附在所述涂層上時,氧化錳降低臭氧分解所需的能障,將臭氧分解為分子氧。
在另一個實例中,所述內層是鉑/二氧化鈦。在室溫下,所述鉑/二氧化鈦涂層將低極性有機化合物氧化為二氧化碳。低極性有機化合物對于鉑具有增加的親合性。低極性有機化合物吸附到鉑上時,在氧氣的存在下被羥基氧化為二氧化碳和水。
外層將揮發性有機化合物氧化為二氧化碳、水和其它物質。外層薄而多孔,且不透過紫外光。因此,一氧化碳、臭氧和低極性有機化合物可以擴散通過所述外層并吸收在用于催化的金屬/二氧化鈦或金屬氧化物/二氧化鈦內層上。另外,所述外層允許紫外光穿透并到達內層。
當紫外光的光子被所述涂層吸收時,形成反應性的羥基。當雜質被吸附到涂層上時,羥基進攻雜質,從所述雜質上除去氫原子并將揮發性有機化合物氧化成水、二氧化碳和其它物質。
從以下描述和附圖將會更透徹地理解本發明的這些和其它特征。
附圖簡述 從以下通常優選的實施方案的詳細說明中,本發明的各種特征和優點對本領域技術人員來說將變得顯而易見。如下可以與詳細說明一起對附圖進行簡要的描述
圖1示意出一種封閉的環境,如建筑物、交通工具或其它結構,其包括室內空間和空調(HVAC)系統; 圖2示意出本發明的空氣凈化系統; 圖3示意出該空氣凈化系統的蜂窩結構; 圖4示意出本發明的涂層; 圖5示意出本發明涂層的另一應用; 圖6示意出空氣凈化系統的另一個實施方案,其使用兩個各自具有不同涂層的蜂窩結構; 圖7示意出空氣凈化系統的另一個選擇性的實施方案,其使用兩個各自具有不同涂層的蜂窩結構; 圖8示意出本發明空氣凈化系統的相鄰的蜂窩結構; 圖9示意出本發明空氣凈化系統的相鄰的蜂窩結構,其通過粘合劑或連接機構連接在一起; 圖10示意出本發明空氣凈化系統的蜂窩結構的另一種選擇性的取向。
優選實施方案的詳細說明 圖1示意性地舉例說明了建筑物、交通工具、或其它結構10,其包括室內空間12,如房間、辦公室或交通工具客艙,如汽車、火車、公共汽車或飛機。空調系統14加熱或冷卻室內空間12。室內空間12中的空氣通過路徑16被吸入到空調系統14中。空調系統14改變從室內空間12吸入的空氣16的溫度。如果空調系統14以冷卻模式操作,則空氣被冷卻。如果空調系統14以加熱模式操作,則空氣被加熱。然后,空氣通過路徑18返回到室內空間12中,改變室內空間12中空氣的溫度。
圖2示意性地舉例說明了空氣凈化系統20,其用于通過將空氣中的雜質,如揮發性有機化合物、半揮發性有機化合物、一氧化碳和臭氧氧化為水、二氧化碳和其它物質而純化建筑物或交通工具10中的空氣。例如,所述揮發性有機化合物可以是醛、酮、醇、芳族化合物、烯烴、烷烴或其混合物。空氣凈化系統20可以在空氣被沿著路徑16吸入到空調系統14中之前純化空氣,或者它可以在空氣被沿著路徑18吹回到建筑物或交通工具10的室內空間12中之前純化離開空調系統14的空氣。空氣凈化系統20也可以是不與空調系統14一起使用的獨立的裝置。
風扇34將空氣通過進口22吸入到空氣凈化系統20中。空氣流過顆粒過濾器24,其通過阻止粉塵或任何其它大顆粒流動而濾出這些顆粒。然后空氣流過基材28,如蜂窩結構。在一個實例中,所述蜂窩結構28用鋁或鋁合金制成。圖3示意性地舉例說明了蜂窩結構28的前視圖,其具有多個六角形的開口通道或通路30。所述多個開口通道30的表面上涂有光催化/熱催化的涂層40。當被紫外光活化時,所述涂層40氧化吸附到涂層40上的揮發性有機化合物。如以下所解釋的,當空氣流過蜂窩結構28的開口通道30時,吸附在涂層40表面上的雜質被氧化成二氧化碳、水和其它雜質。
位于連續的蜂窩結構28之間的光源32活化在開口通道30表面上的光催化涂層40。如圖所示,所述蜂窩結構28和光源32在空氣凈化系統20中交替出現。即,每一蜂窩結構28之間都存在光源32。優選,光源32是產生波長在180納米-400納米范圍內的光的紫外線光源。
開啟光源32以活化蜂窩結構28表面上的涂層40。當紫外光的光子被涂層40所吸收時,電子從價帶被激發到導帶,在價帶中產生空穴。涂層40必須在氧氣和水的存在下將雜質氧化為二氧化碳、水和其它物質。被激發到導帶中的電子被氧氣捕獲。價帶中的空穴與光催化/熱催化涂層40上吸附的水分子反應形成反應性的羥基。
當雜質被吸附到涂層40上時,羥基進攻所述雜質,從所述雜質上除去(abstract)氫原子。在該方法中,羥基氧化所述雜質并生成水、二氧化碳和其它物質。
如圖4所示,涂層40包括施加在蜂窩結構28上的金屬/二氧化鈦或金屬氧化物/二氧化鈦熱催化/光催化的內層44和施加在內層44上的二氧化鈦或金屬化合物/二氧化鈦光催化劑的外層46,優選,內層44和外層46的所述金屬化合物/二氧化鈦是金屬氧化物/二氧化鈦。
二氧化鈦或金屬氧化物/二氧化鈦的外層46能有效地將揮發性有機化合物和半揮發性有機化合物氧化為二氧化碳、水和其它物質。外層46具有有效的厚度和孔隙度。即,外層46能夠允許那些不被外層46氧化的其它雜質,如一氧化碳通過該外層46并吸附在內層44上。在一個實例中,所述外層46是可觀察的白色,不透過紫外光。
優選,光催化劑是二氧化鈦。在一個實例中,所述二氧化鈦是Millennium二氧化鈦,Degussa P-25,或當量二氧化鈦。但是,應當理解的是,也可以使用其它的光催化物質或二氧化鈦與其它金屬氧化物的組合。例如,光催化物質可以是Fe2O3、ZnO、V2O5、SnO2、FeTiO3或其混合物。另外,一種或多種其它的金屬氧化物,如Fe2O3、ZnO、V2O5、SnO2、CuO、MnOx、WO3、Co3O4、CeO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3或NiO可以與二氧化鈦混合。
另外,如果外層46是金屬氧化物負載的二氧化鈦,則二氧化鈦中可以摻雜有一種或多種以下物質WO3,ZnO,SrTiO3,Fe2O3,V2O5,SnO2,FeTiO3,PbO,Co3O4,NiO,CeO2,CuO,SiO2,Al2O3,MnxO2,Cr2O3或ZrO2。或者,二氧化鈦上可以負載有任何光催化物質,如CdS或CdSe。
在一個實例中,外層46具有厚度低于2微米的施加在內層44上的二氧化鈦或金屬氧化物摻雜的二氧化鈦。外層46可以通過噴霧、電泳、浸涂或另一種適當的沉積方法被施加在內層44的表面上。在一個實例中,制備25重量%的光催化劑的水懸浮液。該懸浮液可以被噴霧在涂有內層44的基材上。在施用所述懸浮液之后,使基材干燥,在蜂窩結構28的內層44上形成均一的外層46。
在第一實施例中,所述內層44是金/二氧化鈦。在室溫下,內層44將一氧化碳氧化為二氧化碳。當一氧化碳吸附在涂層上時,金/二氧化鈦起到熱催化劑的作用,并降低一氧化碳的能障,在氧氣的存在下將一氧化碳氧化為二氧化碳。二氧化鈦是一氧化碳低溫氧化的有效載體。另外,金/二氧化鈦是有效的用以將擴散通過外層46的揮發性有機化合物氧化為水和二氧化碳的催化劑。因此,內層44同時起到光催化劑與熱催化劑的作用。
一氧化碳的氧化主要發生在金顆粒的外圍界面上。一氧化碳或者被吸附在表面上、或者被吸附在金的周圍位置上以形成羰基物質。氧氣被吸附在金/二氧化鈦表面上。據信氧氣被吸附到周圍的界面上。在外圍位置上的羰基物質與氧氣反應形成氧-金-一氧化碳絡合物。該絡合物被分解生成二氧化碳。
在光催化功能的情況下,高度分散在二氧化鈦表面上的金顆粒會降低內層44中電子和空穴的復合速率,增加涂層的光催化活性。優選,所述金顆粒的尺寸低于3納米。就熱催化功能而言,金顆粒的尺寸對于一氧化碳氧化的活性也是很關鍵的,其取決于形成非常小的納米顆粒的金。
金/二氧化鈦涂層的催化性能受到制備方法的影響。金的催化活性取決于形成納米顆粒的金。金的納米顆粒可以通過任何方法制備,包括共沉淀法、沉積-沉淀法、液相接枝法、膠態混合法、浸漬法或化學汽相沉積法。
在共沉淀法中,催化劑通過在室溫下或略高的溫度下,在恒定的pH值下,混合金前體與鈦前體的水溶液制備。過濾沉淀并用蒸餾水徹底洗滌,然后在70℃下真空干燥過夜。干燥后,將產物在200-500℃的溫度范圍內焙燒,形成干燥的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑。
在沉積-沉淀法中,將二氧化鈦粉末懸浮在具有所需量的HAuCl4的蒸餾水中。向混合物中緩慢加入尿素,然后將混合物加熱到80-90℃,分解尿素以釋放出NH4OH(氫氧化銨)和二氧化鈦,從而提高混合物的pH值。pH值的緩慢升高誘導Au(OH)3均勻地沉積在二氧化鈦的表面上。將樣品用蒸餾水徹底洗滌以除去殘余的氯離子。之后將樣品在70℃下真空干燥過夜,并在200-500℃的溫度范圍內焙燒,形成干燥的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑。沉積-沉淀法的優點在于所有的活性組分都保留在二氧化鈦載體的表面上并在其中不被燒掉。
在液相接枝法中,溶液中的金絡合物與載體,如二氧化鈦的表面反應,形成可轉化為催化活性形式的物種。Me2Au可以用作金前體。將所述前體溶解到丙酮中,然后向溶劑中加入二氧化鈦。使得該混合物沉降從而使金前體吸附到金屬氧化物表面上。然后將混合物過濾并在400℃下焙燒4小時。
在一個實例中,為了在蜂窩結構28上涂覆雙功能催化劑,把水加入到干燥的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑中形成25重量%的水懸浮液。該懸浮液通過噴霧、電泳或浸涂被施加在蜂窩結構28的表面上形成金/二氧化鈦內層44。在施用該懸浮液之后,使基材干燥,在蜂窩結構28上形成均勻的金/二氧化鈦內層44。
在把金/二氧化鈦懸浮液施用于蜂窩結構28上之前,可以對該懸浮液進行處理以增加與蜂窩結構28的粘附能力。例如,可以通過用具有分散發生器的均質器在7500rpm的速率下將懸浮液均一化。當懸浮液被施加到蜂窩結構28上時,所述涂層為納米級多孔規模,通常其表面積大于40m2/g。然后使內層44在蜂窩結構28上干燥。內層44也可以被加熱到有效的溫度。
二氧化鈦上也可以負載有金屬氧化物,以進一步提高金/二氧化鈦內層44的光催化與熱催化效果。金具有能遷移到二氧化鈦表面上以形成大簇的傾向。金/二氧化鈦內層44的效能可能會由于金顆粒的遷移而降低。通過在二氧化鈦的表面上負載金屬氧化物,所述金屬氧化物可以分離金顆粒并防止它們遷移和形成簇,從而提高金/二氧化鈦內層44的效力。優選,金屬氧化物用于把金顆粒固定在二氧化鈦的表面上。在一個實例中,所述金屬氧化物是WO3、ZnO、CdS、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnOx、Cr2O3或ZrO2中的一種或多種。
在另一個實例中,內層44是鉑/二氧化鈦。在室溫下,內層44在氧化有害的揮發性有機化合物的同時,將低極性有機化合物氧化為二氧化碳。低極性有機分子對于鉑具有提高的親合性。當低極性有機化合物吸附在鉑上時,鉑將低極性有機化合物保留在內層44上以通過羥基進行氧化,在氧氣的存在下將低極性有機化合物氧化為二氧化碳。
分散在二氧化鈦上的鉑對于低雜質濃度,如低于50ppm,顯示出光催化性能。臭氧、乙烯和丁烷的光催化氧化速度對于二氧化鈦上負載鉑的情況來講,比起單獨使用二氧化鈦時要更大。對二氧化鈦上負載的鉑來說,其對于臭氧和丁烷的光催化氧化速率是二倍,對于乙烯的光催化氧化速率在2-14倍之間。乙烯的光催化氧化速率取決于濕度和乙烯濃度。令人驚奇的是,這些雜質的光催化氧化隨著水蒸汽的增加而增加。相反,這些雜質在單獨用二氧化鈦進行光催化氧化時,隨著濕度的增加而降低。
二氧化鈦表面上的高度分散的鉑顆粒會降低電子和空穴的復合速率,提高涂層的光催化活性。優選,所述鉑顆粒的尺寸低于5納米,形成約1.0-1.5納米的鉑島。優選的鉑負載量為0.1%-5.0%。
在另一個實例中,內層44是氧化錳/二氧化鈦。氧化錳包括二氧化錳和摻雜的氧化錳。在環境溫度下,氧化錳對于臭氧的分解是有效的。氧化錳有利于臭氧分解為吸附的表面氧原子。然后,這些氧原子與臭氧結合形成能解吸為分子氧的吸附的過氧化物。當臭氧吸附在氧化錳上時,氧化錳起到通過降低臭氧分解所需的能障而吸附游離臭氧的位置的作用。因此,在單獨存在臭氧的情況下,氧化錳生成氧氣。
另外,過氧化物是高度活性的,有助于將揮發性有機化合物氧化為二氧化碳和水。因此,氧化錳對于氧化揮發性有機化合物是高度有效的。在單獨存在揮發性有機化合物時,涂層40的氧化錳內層44產生二氧化碳、水和其它物質。因此,二氧化錳光催化/熱催化涂層同時起到光催化劑與熱催化劑的雙重作用。
在室溫下,涂層40的氧化錳/二氧化鈦內層44在將有害的揮發性有機化合物氧化為二氧化碳、水和其它物質的同時將臭氧分解為氧氣。因此,氧化錳/二氧化鈦光催化/熱催化涂層同時起到光催化劑與熱催化劑的雙重作用。
二氧化鈦表面上的高度分散的氧化錳顆粒會降低電子和空穴的復合速率,提高涂層的光催化活性。優選,所述氧化錳顆粒是納米級的。
氧化錳/二氧化鈦涂層的催化性能受到制備方法的影響。氧化錳納米顆粒可以通過沉積-沉淀法、共沉淀法、浸漬法或化學汽相沉積法制備。通過使用這此方法,可以生成氧化錳納米顆粒,提高催化活性。
為了制備本發明的氧化錳/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑,要把水滴加入粉末狀二氧化鈦中以確定二氧化鈦的孔被水填充的點或初始濕度點。然后,使用這一水量來溶解錳鹽(硝酸錳或優選醋酸錳)。所需錳鹽的量通過計劃用于所述表面上的錳的摩爾百分數來確定,通常是0.1-6摩爾%。
然后將錳鹽溶液滴加到二氧化鈦中。所得粉末在120℃下干燥6小時。然后將粉末在500℃下焙燒6小時以除去醋酸鹽和硝酸鹽。在焙燒過程中,錳鹽被氧化形成氧化錳。焙燒后,形成具有氧化錳納米顆粒層的二氧化鈦粉末。
為了將氧化錳/二氧化鈦雙功能催化劑涂覆到基材上,將水加入到干燥的氧化錳/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑中形成懸浮液。該懸浮液通過噴霧、電泳或浸涂被施加在蜂窩結構28的表面上形成氧化錳/二氧化鈦內層44。在施用該懸浮液之后,使懸浮液干燥,在蜂窩結構28上形成均勻的氧化錳/二氧化鈦內層44。優選,懸浮液具有1重量%的氧化錳/二氧化鈦。
當金屬摻雜在二氧化鈦上時,會降低光的有效穿過深度。因此,希望的是,先使光的有效穿過深度較小的層處于蜂窩結構28上,之后再形成光的有效穿過深度較大的層。因此,要使光的有效穿過深度最大的層離光源32最近。內層44具有較小的有效穿過深度,并首先被沉積在蜂窩結構28上。外層46具有較大的有效穿過深度,其隨后被沉積在內層44上。
對外層46的厚度(有效穿過深度最大的層)可以調節得使其僅從光源32吸收一部分光,使一些或者沒有光到達內層44。如果沒有光從光源32到達內層44,則外層46的孔隙度使得雜質能穿透到內層44中。因此,諸如一氧化碳等雜質可以在內層44上被氧化,諸如臭氧等雜質可以在內層44上被分解。在這種情況下,內層44僅起到熱催化劑的作用。如果一些紫外光從光源32到達內層44并被其吸收,則內層44可以同時作為光催化劑與熱催化劑。施加在內層44上的外層46直接暴露于紫外光下,并可以提供光催化活性,用以將雜質氧化為二氧化碳、水和其它物質。另外,外層46是多孔的,允許一氧化碳、臭氧和低極性有機化合物通過該外層46并吸附在內層44上。
內層44可以根據環境進行選擇。如果空氣中具有高的臭氧濃度,則氧化錳/二氧化鈦可以用作內層44。或者,如果空氣中一氧化碳的濃度高,則可以使用金/二氧化鈦作為內層44。
在通過蜂窩結構28之后,凈化的空氣通過出口36離開空氣凈化器。空氣凈化系統20的壁38優選內襯有反射材料42。所述反射材料42將紫外光反射到蜂窩結構28的開口通道30的表面上。
圖5示出本發明雙功能涂層40的另一個實施方案。涂層40包括施加在蜂窩結構28的一部分表面54上的金屬/二氧化鈦或金屬化合物/二氧化鈦熱催化劑/光催化劑的層44,和施加在蜂窩結構28的另一部分表面54上的二氧化鈦或金屬化合物/二氧化鈦光催化劑的層46。
在另一個實施方案中,在不同的基材上放置不同的涂層配方以增加系統20的設計彈性并改變系統20的整體性能。
圖6示出另一例空氣凈化系統56。在該實例中,空氣首先流過具有用作雙功能的光催化劑/熱催化劑的金/二氧化鈦涂層的第一蜂窩結構58。由于其熱催化功能,金/二氧化鈦涂層可以將一氧化碳氧化為二氧化碳。同時,由于其光催化功能,金/二氧化鈦涂層可以將揮發性有機化合物,特別是甲醛氧化為二氧化碳和水。金/二氧化鈦催化劑對于甲醛的氧化來說,比起單獨使用二氧化鈦具有更優良的光催化活性。
然后,空氣流過具有金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂層的第二蜂窩結構60。所述金屬氧化物可以是WO3、ZnO、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnxO2、Cr2O3或ZrO2中的一種或多種。第二蜂窩結構60上的所述金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂層把從第一蜂窩結構58中殘存的雜質,如揮發性有機化合物和半揮發性有機化合物氧化成水和二氧化碳。揮發性有機化合物被歸類為沸點低于約200℃的化合物,半揮發性有機化合物被歸類為沸點在200℃或之上的化合物。
通過使用具有金/二氧化鈦涂層的第一蜂窩結構58和具有金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂層的第二蜂窩結構60,可以同時氧化和破壞一氧化碳、揮發性有機化合物和半揮發性有機化合物。因此,包括金/二氧化鈦涂覆的第一蜂窩結構58與金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂覆的第二蜂窩結構60的空氣凈化系統56起到與具有金/二氧化鈦內層44及金屬氧化物摻雜的二氧化鈦外層46的層狀涂層40相同的作用。
在該結構中,第一蜂窩結構58和第二蜂窩結構60的順序對于空氣凈化系統56的性能來說是很關鍵的。與其它揮發性有機化合物雜質相比,甲醛能相對強地吸附在二氧化鈦的表面上,覆蓋不然將能用于其它揮發性有機化合物的活性點。因此,通過第一蜂窩結構58除去甲醛會明顯提高第二蜂窩結構60氧化其它揮發性有機化合物的光催化活性。
圖7示出另一例空氣凈化系統62。在該實例中,空氣首先流過具有金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂層的第一蜂窩結構64。所述金屬氧化物可以是WO3、ZnO、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnxO2、Cr2O3或ZrO2中的一種或多種。第一蜂窩結構64上的所述金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂層把雜質,如揮發性有機化合物和半揮發性有機化合物氧化成水和二氧化碳。然后,空氣流過具有用于將臭氧分解為氧氣和水的氧化錳/二氧化鈦涂層的第二蜂窩結構66。通過使用具有金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂層的第一蜂窩結構64和具有氧化錳/二氧化鈦涂層的第二蜂窩結構66,可以同時氧化和破壞臭氧、揮發性有機化合物和半揮發性有機化合物。因此,包括金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂覆的第二蜂窩結構64與氧化錳/二氧化鈦涂覆的第二蜂窩結構66的空氣凈化系統62起到與具有氧化錳/二氧化鈦內層44及金屬氧化物摻雜的二氧化鈦外層46的層狀涂層40相同的作用。
在該結構中,臭氧是強氧化劑,并且將有助于光催化氧化。因此,優選空氣首先流過金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂覆的第一蜂窩結構64,然后再流過氧化錳/二氧化鈦涂覆的第二蜂窩結構66。或者,空氣凈化系統62包括一個以上的第一蜂窩結構64和一個以上的第二蜂窩結構66。
應當理解,空氣凈化系統56中蜂窩結構58和60以及空氣凈化系統62中蜂窩結構64和66可以有另外的取向。如圖8所示,空氣凈化系統68可以包括在空氣凈化系統68中位置彼此相鄰的第一蜂窩結構70和第二蜂窩結構72,即,在蜂窩結構70和72之間沒有燈或光源。或者,如圖9所示,第一蜂窩結構70和第二蜂窩結構72通過粘結劑74連接或粘結在一起。或者,第一蜂窩結構70和第二蜂窩結構72通過連接機構連接在一起。如圖10所示,在空氣凈化系統62中也可以使用另外的蜂窩結構76。例如,第一蜂窩結構70和第二蜂窩結構72位于光源32的一側,帶有涂層的另一蜂窩結構74位于光源32相對的一側。盡管僅舉例并描述了一個另外的蜂窩結構76,但是應當理解,可以使用任何數量的另外的蜂窩結構76。
如上所解釋過的,第一蜂窩結構70可以具有金/二氧化鈦涂層,第二蜂窩結構72可以具有金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂層。或者,第一蜂窩結構70可以具有金屬氧化物摻雜的二氧化鈦涂層,第二蜂窩結構72可以具有用以將臭氧分解為氧氣和水的氧化錳/二氧化鈦涂層。另外的蜂窩結構76可以具有任何能夠產生希望的凈化效果的涂層,且本領域技術人員將知道在另外的蜂窩結構76上使用什么樣的涂層。
雖然已經舉例說明并描述了蜂窩結構28,但應當理解的是,涂層40可以施加在任何結構上。蜂窩結構28中的空隙通常在外形上呈六角形并且均勻分布,但是應當理解的是,可以使用其它的空隙形狀和分布。當雜質在光源的存在下吸附到該結構的涂層40上時,雜質被氧化為水、二氧化碳和其它物質。
另外,在20O3年5月30日提交的、系列號為10/449,752、名稱為″用于提高室內空氣質量的氧化鎢/二氧化鈦光催化劑″的共同未決專利申請中,在2003年6月19日提交的、系列號為10/464,942、名稱為″用于提高室內空氣質量的雙功能的氧化錳/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑″的共同未決專利申請中,以及在2003年6月19日提交的、系列號為10/465,025、名稱為″用于提高室內空氣質量的雙功能的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑″的共同未決專利申請中公開了涂覆方法的詳細說明,所述公開內容全文引入作為參考。有關雙功能的氧化錳/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑的信息還參見系列號為10/64,942的未決專利申請。有關雙功能的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑的信息還參見系列號為10/465,024的未決專利申請。
以上描述僅僅是本發明原理的示范性說明。根據以上教導,本發明的許多修改和變化都是可能的。由于已經公開了本發明的優選實施方案,因此,本領域普通技術人員將會認識到某些修改應當歸入本發明的范圍之內。因此,應當理解,在附加權利要求的范圍內,本發明可以以與前面具體描述所不同的方式實施。為此,以下權利要求將力圖確定本發明的正確范圍和內容。
權利要求
1.一種凈化系統,其包括
基材;和
層狀催化涂層,其包括施加在所述基材上的金屬/二氧化鈦和金屬化合物/二氧化鈦中的一種的第一層,和施加在所述第一層上的二氧化鈦和金屬化合物/二氧化鈦中的一種的第二層。
2.如權利要求1所述的凈化系統,其中所述第一層是金/二氧化鈦,其將一氧化碳催化氧化為二氧化碳和水。
3.如權利要求1所述的凈化系統,其中所述第一層是鉑/二氧化鈦,其將低極性有機化合物催化氧化為二氧化碳和水。
4.如權利要求3所述的凈化系統,其中所述第一層包括鉑/二氧化鈦,且所述鉑對所述低極性有機化合物具有提高的親合性,所述低極性有機化合物吸附在所述鉑上,且所述羥基將所述低極性有機化合物氧化為二氧化碳。
5.如權利要求1所述的凈化系統,其中所述第一層是氧化錳/二氧化鈦,其分解臭氧。
6.如權利要求5所述的凈化系統,其中所述第一層包括氧化錳/二氧化鈦,且所述氧化錳降低將所述臭氧分解為分子氧的所述臭氧的分解能障。
7.如權利要求1所述的凈化系統,進一步包括用于活化所述層狀催化涂層的光源,且所述層狀催化涂層當被所述光源活化時,氧化空氣流中吸附到所述層狀催化涂層上的雜質。
8.如權利要求7所述的凈化系統,其中所述光源是紫外線光源。
9.如權利要求7所述的凈化系統,其中來自所述光源的光于被所述層狀催化涂層吸收,形成在氧氣和水的存在下氧化所述雜質的反應性羥基,所述反應性羥基將所述雜質氧化為水和二氧化碳。
10.如權利要求7所述的凈化系統,其中所述雜質是揮發性有機化合物和半揮發性有機化合物中的一種,其包括甲醛,甲苯,丙醛,丁烯,乙醛,醛,酮,醇,芳族化合物,烯烴和烷烴中的至少一種。
11.如權利要求10所述的凈化系統,其中所述揮發性有機化合物的沸點低于200℃。
12.如權利要求10所述的凈化系統,其中所述半揮發性有機化合物的沸點等于或高于200℃。
13.如權利要求1所述的凈化系統,其中所述第二層是金屬化合物/二氧化鈦,包括金屬氧化物/二氧化鈦,且所述金屬氧化物是WO3、ZnO、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnxO2、Cr2O3和ZrO2中的至少一種。
14.如權利要求1所述的凈化系統,其中所述第二層是多孔的。
15.如權利要求1所述的凈化系統,其中所述第二層部分透過紫外光。
16.如權利要求1所述的凈化系統,其中所述凈化系統凈化空氣。
17.如權利要求1所述的凈化系統,其中所述第一層是包括在二氧化鈦上的金屬化合物的所述金屬化合物/二氧化鈦,且所述金屬化合物是金屬氧化物。
18.如權利要求1所述的凈化系統,其中所述第二層是包括在二氧化鈦上的金屬化合物的金屬化合物/二氧化鈦,且所述金屬化合物是金屬氧化物。
19.如權利要求1所述的凈化系統,進一步包括所述基材的表面,其中所述第一層在所述基材的所述表面的一部分上,所述第二層在所述基材的所述表面的另一部分上。
20.一種流體凈化系統,其包括
具有進口和出口的容器;
在所述容器內的多孔基材;
用于將流體通過所述進口吸入到所述容器內、使所述流體通過所述多孔基材流動、并通過所述出口將所述流體從所述容器中排出的設備;
層狀催化涂層,其包括施加在所述基材上的金屬/二氧化鈦和金屬氧化物/二氧化鈦中的一種的第一層,和施加在所述第一層上的二氧化鈦和金屬氧化物/二氧化鈦中的一種的第二層;和
活化所述催化涂層的紫外線光源,來自所述紫外線光源的光子被所述金屬/二氧化鈦催化涂層吸收形成反應性羥基,所述反應性羥基當被所述紫外線光源活化時,在水和氧氣的存在下將所述流體中被吸附到所述金屬/二氧化鈦催化涂層上的雜質氧化為水和二氧化碳。
21.一種凈化系統,其包括
第一基材,其具有金屬/二氧化鈦和金屬氧化物/二氧化鈦中的一種的第一涂層;和
第二基材,其具有二氧化鈦和金屬化合物/二氧化鈦中的一種的第二涂層。
22.如權利要求21所述的流體凈化系統,其中所述第一涂層是金/二氧化鈦,所述第二涂層是金屬氧化物摻雜的二氧化鈦。
23.如權利要求22所述的流體凈化系統,其中所述金屬氧化物摻雜的二氧化鈦中的金屬氧化物是WO3、ZnO、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnxO2、Cr2O3和ZrO2中的至少一種。
24.如權利要求22所述的流體凈化系統,其中所述第一基材靠近所述空氣凈化系統的進口,所述第二基材遠離所述空氣凈化系統的所述進口。
25.如權利要求21所述的流體凈化系統,其中所述第一涂層是氧化錳/二氧化鈦,所述第二涂層是金屬氧化物摻雜的二氧化鈦。
26.如權利要求25所述的流體凈化系統,其中所述金屬氧化物摻雜的二氧化鈦中的金屬氧化物是WO3、ZnO、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnxO2、Cr2O3和ZrO2中的至少一種。
27.如權利要求25所述的流體凈化系統,其中所述第二基材靠近所述空氣凈化系統的進口,所述第一基材遠離所述空氣凈化系統的所述進口。
28.如權利要求21所述的流體凈化系統,其中所述第一基材與所述第二基材相鄰。
29.如權利要求28所述的流體凈化系統,其中所述第一基材連接到所述第二基材上。
30.如權利要求29所述的流體凈化系統,其中所述第一基材通過粘結劑或連接機構中的一種與所述第二基材連接。
31.如權利要求28所述的流體凈化系統,進一步包括具有第三涂層的第三基材和光源,所述第三涂層是二氧化鈦、金屬/二氧化鈦和金屬化合物/二氧化鈦中的一種,且第一基材和所述第二基材位于所述光源的第一側,所述第三基材位于所述光源相對的第二側。
32.如權利要求31所述的流體凈化系統,進一步包括具有第三涂層的第三基材和光源,所述第三涂層是二氧化鈦、金屬/二氧化鈦和金屬化合物/二氧化鈦中的一種,且第一基材和所述第二基材位于所述光源的第一側,所述第三基材位于所述光源相對的第二側。
33.一種凈化方法,其包括以下步驟
施用層狀催化涂層,所述層狀催化涂層包括施加在所述基材上的金屬/二氧化鈦涂層和金屬氧化物/二氧化鈦中的一種的第一層,和施加在所述第一層上的二氧化鈦和金屬氧化物/二氧化鈦中的一種的第二層;
活化所述層狀催化涂層;
形成反應性羥基;
將空氣流中的雜質吸附到所述層狀催化涂層上;和
用所述羥基氧化所述雜質。
全文摘要
光催化/熱催化涂層,包括施加在蜂窩結構上的金屬/二氧化鈦或金屬氧化物/二氧化鈦內層和施加在所述內層上的二氧化鈦或金屬氧化物摻雜的二氧化鈦外層。所述內層可以是金/二氧化鈦、鉑/二氧化鈦、或氧化錳/二氧化鈦。二氧化鈦或金屬氧化物摻雜的二氧化鈦外層將揮發性有機化合物氧化為二氧化碳、水和其它物質。由于外層薄而多孔,所以空氣中的雜質可以擴散通過外層并吸收到內層上。當紫外光的光子被所述涂層吸收時,形成反應性的羥基,其將雜質氧化生成水、二氧化碳和其它物質。
文檔編號B60H3/06GK1917950SQ20048004176
公開日2007年2月21日 申請日期2004年12月9日 優先權日2003年12月16日
發明者D·魏, T·H·范德斯普爾特, S·O·海, W·R·施密德特, T·N·奧比 申請人:開利公司