CN100503045C - 包括金/二氧化钛光催化剂的空气净化系统 - Google Patents
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Abstract
金/二氧化钛光催化/热催化涂层，同时使吸附到涂层上的挥发性有机化合物和一氧化碳氧化成水、二氧化碳和其它物质。金的尺寸小于3纳米。当紫外光的光子被金/二氧化钛涂层吸收时，形成活性氢氧基自由基。当污染物吸附到金/二氧化钛涂层上时，氢氧基自由基氧化污染物，以产生水、二氧化碳和其它物质。金是氧化催化剂，其降低一氧化碳的能垒，以使一氧化碳氧化成二氧化碳。因此，金/二氧化钛涂层也可同时使一氧化碳氧化成二氧化碳。
Description
发明背景
本发明一般性地涉及金/二氧化钛光催化剂/热催化剂涂层，其具有纳米尺寸的金颗粒，氧化包括挥发性有机化合物和一氧化碳的吸附在表面上的气体污染物，以形成二氧化碳、水和其它物质。
室内空气可包括痕量污染物，污染物包括一氧化碳和挥发性有机化合物，如甲醛、乙醛、甲苯、丙醛和丁烯。吸收性空气过滤器如活性炭，已被用来从空气中除去这些污染物。当空气流过过滤器时，过滤器阻塞污染物的通过，使得不含污染物的空气从过滤器流出。使用过滤器的缺点是，它们只是阻塞污染物的通过，并没有消灭它们。此外，空气过滤器不能有效地阻塞一氧化碳。
二氧化钛已被用作空气净化器中的光催化剂，以消灭污染物。当二氧化钛被紫外光照射时，光子被二氧化钛吸收，将电子从价带激发到导带，由此在价带中产生空穴并在导带中加入电子。被激发的电子与氧反应，保留在价带中的空穴与水反应，形成活性氢氧基自由基。当污染物吸附到二氧化钛催化剂上时，氢氧基自由基进攻污染物并将污染物氧化成水、二氧化碳和其它物质。
掺杂的或金属氧化物处理的二氧化钛增加二氧化钛光催化剂的效力。但是，二氧化钛和掺杂的二氧化钛在氧化一氧化碳时无效。一氧化碳(CO)是无色、无味和有毒气体，由烃燃料的不完全燃烧产生。一氧化碳比任何其它毒物导致更多的死亡，在封闭的环境中特别危险。一氧化碳由基于碳的燃料如煤油、天然气、汽油、丙烷、丁烷等和有机物质如木材、纸等的不完全燃烧产生。一氧化碳可在室内空气中由于不适当的通风、抽烟，或在室外空气中的汽车排放而增多。一氧化碳中毒可在长时间的少量一氧化碳存在下发生。敏感的器官如大脑、心脏和肺因缺氧而损害最严重。EPA要求的平均八小时下的暴露设为30ppm。
因此，需要氧化气体污染物的光催化剂/热催化剂涂层，该涂层将吸附在表面上的包括挥发性有机化合物和一氧化碳的气体污染物氧化成二氧化碳、水和其它物质。
发明概述
在基体上的金/二氧化钛光催化/热催化涂层，通过将吸附在该涂层上的任何污染物氧化成水、二氧化碳和其它物质而净化建筑物或交通工具中的空气。金颗粒是纳米尺寸的，其尺寸小于3纳米。
通风机将空气吸入空气净化系统中。空气流过开口的通道或蜂窝件通道。蜂窝件表面被金/钛涂层涂覆。紫外光源置于连续的蜂窝件之间，活化金/二氧化钛涂层。
当紫外光的光子被金/二氧化钛涂层吸收时，形成活性氢氧基自由基。当污染物，如挥发性的有机化合物，被吸附到金/二氧化钛涂层上时，氢氧基自由基进攻污染物，从污染物中提出氢原子，并将挥发性的有机化合物氧化成水、二氧化碳和其它物质。
在室温下，金/二氧化钛涂层将一氧化碳氧化成二氧化碳，同时氧化有害的挥发性有机化合物。当一氧化碳吸附在涂层上时，金用作氧化催化剂，并降低一氧化碳的能垒，在氧存在下将一氧化碳氧化成二氧化碳。此外，二氧化钛表面上的金颗粒降低电子和空穴的再结合率，增加涂层的光催化活性。金/二氧化钛涂层同时用作光催化剂和热催化剂。
二氧化钛也可用金属氧化物掺杂，以使金颗粒固定在二氧化钛的表面上，防止金颗粒移动，金颗粒的移动会降低光催化剂/热催化剂的效力。
从以下说明书和附图，将更好地理解本发明的这些和其它特点。
附图简述
从以下目前优选的实施方案的详细描述，对本领域技术人员，本发明的各种特点和优点将变得更明显。伴随详细描述的附图可被简述如下：
图1示意地说明了封闭的环境，如建筑物、交通工具或其它结构，包括内部空间和HVAC系统；
图2示意地说明了本发明的空气净化系统；和
图3示意地说明了空气净化系统的蜂窝件。
优选实施方案的详述
图1示意地说明了建筑物、交通工具或其它结构10，其包括内部空间12，如房间、办公室或交通工具的舱，如小汽车、火车、公共汽车或飞机。HVAC系统14加热或冷却内部空间12。内部空间12中的空气通过路径16进入HVAC系统14。HVAC系统14改变从内部空间12吸入空气16的温度。如果HVAC系统14以冷却模式运行，则冷却空气。或者，如果HVAC系统14以加热模式运行，则加热空气。然后空气通过路径18返回到内部空间12，从而改变内部空间12中的空气温度。
图2示意地说明了空气净化系统20，其通过将污染物，如挥发性有机化合物、半挥发性有机化合物和一氧化碳，氧化成水、二氧化碳和其它物质而净化建筑物或交通工具10中的空气。例如，挥发性有机化合物可为醛、酮、醇、芳香族化合物、烯烃或烷烃。空气净化系统20可在空气沿路径16吸入HVAC系统14中之前，净化空气，或者它可在空气沿路径18吹入建筑物或交通工具10的内部空间12中之前，净化离开HVAC系统14的空气。空气净化系统20也可为单独的单元，不与HVAC系统14一起使用。
通风机34通过入口22将空气吸入空气净化系统20中。空气流过颗粒过滤器24，颗粒过滤器24通过阻塞灰尘或任何其它大颗粒的流动，过滤出这些颗粒。然后空气流过基体28，如蜂窝件。在一个实施例中，蜂窝件28由铝或铝合金制成。图3示意地说明了蜂窝件28的前视图，蜂窝件28具有许多六边形开口通道30。许多开口通道30的表面被金/二氧化钛光催化/热催化涂层40涂覆。当被紫外光活化时，涂层40氧化吸附到金/二氧化钛涂层40上的挥发性有机化合物。如下所述，当空气流过蜂窝件28的开口通道30时，吸附到金/二氧化钛涂层40表面上的污染物被氧化成二氧化碳、水和其它物质。
置于连续的蜂窝件28之间的光源32活化开口通道30表面上的光催化涂层40。如图所示，蜂窝件28和光源32在空气净化系统20中交替设置。也就是说，在每个蜂窝件28之间设有光源32。优选地，光源32为紫外光源，其产生波长为180纳米～400纳米的光。
光源32照射以活化蜂窝件28表面上的金/二氧化钛涂层40。当紫外光的光子被金/二氧化钛涂层40吸收时，将电子从价带激发到导带，在价带中产生空穴。金/二氧化钛涂层40必须在氧和水存在下，将污染物氧化成二氧化碳、水和其它物质。被激发到导带的电子被氧捕获。价带中的空穴与吸附到金/二氧化钛涂层40上的水分子反应，形成活性氢氧基自由基。
当污染物被吸附到涂层40上时，氢氧基自由基进攻污染物，从污染物中提出氢原子。在此方法中，氢氧基自由基氧化污染物，并产生水、二氧化碳和其它物质。
在二氧化钛表面上高度分散的金颗粒降低电子和空穴的再结合率，增加涂层的光催化活性。在一个实施例中发现，金/二氧化钛比纯的二氧化钛使甲醛氧化的光催化反应率增加约40％。为了提高光催化性能，金颗粒是纳米分散的。优选地，金颗粒的尺寸小于3纳米。对于热催化作用，金颗粒的尺寸对一氧化碳氧化活性也是关键的，其取决于形成为非常小的纳米颗粒的金。
在室温下，金/二氧化钛涂层40在氧存在下，将一氧化碳氧化成二氧化碳，同时氧化有害的挥发性有机化合物。当一氧化碳吸附在涂层上时，金//二氧化钛用作热氧化催化剂，并降低一氧化碳的能垒，在氧存在下将一氧化碳氧化成二氧化碳。二氧化钛是金颗粒的有效载体，金颗粒对低温一氧化碳氧化是活性的。因此，金/二氧化钛光催化/热催化涂层同时用作光催化剂和热催化剂。
一氧化碳氧化主要在金颗粒的周边界面上发生。一氧化碳吸附在金的表面或周边位置上以形成羰基物类。氧吸附在金/二氧化钛表面上。据信，氧吸附到周边界面上。周边位置上的羰基物类与氧反应，形成氧-金-一氧化碳复合物。该复合物分解以产生二氧化碳。
优选地，双功能催化剂的载体是二氧化钛。在一个实施例中，二氧化钛是Millennium二氧化钛、Degussa P-25或等效的二氧化钛。但是，应该理解，可使用其它光催化材料或二氧化钛与其它金属氧化物的组合，只要它们对热催化功能/一氧化碳氧化是活性载体。例如，光催化材料可为Fe2O3、ZnO、V2O5、SnO2或FeTiO3。此外，其它金属氧化物可与二氧化钛混合，如Fe2O3、ZnO、V2O5、SnO2、CuO、MnOx、WO3、Co3O4、CeO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3或NiO。
二氧化钛也可用金属氧化物负载，以进一步提高涂层40的光催化和热催化效力。金倾向于在二氧化钛的表面上移动以形成大簇。由于金颗粒的移动，可能降低金/二氧化钛涂层40的效力。通过在二氧化钛表面上负载金属氧化物，金属氧化物可分隔金颗粒，防止它们移动和形成大簇，从而增加金/二氧化钛涂层40的效力。优选地，使用金属氧化物以使金颗粒固定在二氧化钛表面上。在一个实施例中，金属氧化物为WO3、ZnO、CdS、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnOx、Cr2O3或ZrO2。
此外，纳米尺寸的含金混合金属颗粒可负载在二氧化钛载体上。该金属可为银、铑、钌、钯、铱、锇、铂或铼中的一种或多种。
在通过蜂窝件28之后，净化的空气随后通过出口36离开空气净化器。空气净化系统20的壁38优选衬以反射材料42。反射材料42将紫外光反射到蜂窝件28的开口通道30的表面上。
金/二氧化钛涂层的催化性能受制备方法影响。金的催化活性取决于形成为纳米颗粒的金。金的纳米颗粒可通过任何方法产生，包括共沉淀、沉积-沉淀、液相移植、胶态混合、浸渍或化学气相沉积。
在共沉淀方法中，催化剂这样制备：在室温或稍微高的温度下，并在恒定pH下，使金前体的水溶液与钛前体的水溶液混合。过滤沉淀物，用蒸馏水彻底洗涤，在真空下、70℃干燥过夜。干燥之后，在200℃～500℃煅烧产物，形成干燥的金/二氧化钛光催化剂/热催化剂。
在沉积-沉淀方法中，将二氧化钛粉末悬浮在含期望量HAuCl4的蒸馏水中。向混合物中缓慢加入脲，然后将混合物加热至80℃～90℃，使脲分解以释放NH4OH(氢氧化铵)和二氧化碳，由此增加混合物的pH。pH的缓慢增加导致Au(OH)3均匀沉淀到二氧化钛的表面上。在蒸馏水中彻底洗涤样品，以除去残留的氯离子。然后将样品在真空下、70℃干燥过夜。然后在200℃～500℃的温度下煅烧样品，以形成干燥的金/二氧化钛光催化剂/热催化剂。沉积-沉淀方法的优点是，所有活性组分保留在二氧化钛载体的表面上，而没有埋在它的里面。
在液相接枝方法中，溶液中的金复合物与载体如二氧化钛的表面反应，形成可转化为催化活性形式的物类。Me2Au可用作金前体。将前体溶解在丙酮中，然后向溶剂中加入二氧化钛。使此混合物沉降，从而金前体吸附到金属氧化物表面上。然后过滤混合物，并在400℃下煅烧4小时。
为了在蜂窝件28上涂覆双功能催化剂，向干燥的金/二氧化钛光催化剂/热催化剂中加入水，以形成悬浮液。通过喷涂、电泳或浸涂，将悬浮液施涂到蜂窝件28的表面上，以形成金/二氧化钛涂层40。在施涂悬浮液之后干燥悬浮液，在蜂窝件28上形成均一的金/二氧化钛涂层40。
虽然已经说明和描述了蜂窝件28，但是应该理解，可将金/二氧化钛涂层40施涂到任何结构上。蜂窝件28中的空间通常是六边形的，但是应该理解，可使用其它空间形状。当在光源存在下，污染物吸附到所述结构的金//二氧化钛涂层40上时，污染物被氧化成水、二氧化碳和其它物质。
以上描述仅是本发明原理的示例。根据以上教导，本发明的许多改进和变化是可能的。但是，已公开了本发明的优选实施方案，所以本领域技术人员将认识到，在本发明范围内可进行某些改进。因此，应该理解，在附加的权利要求范围内，本发明可在具体所述之外实施。因此，应该研究以下权利要求，以确定本发明的实际范围和内容。
Claims (16)
1、空气净化系统，包括：
基体；
施涂到所述基体上的金/二氧化钛涂层，并且所述的金/二氧化钛涂层包括在二氧化钛上的纳米尺寸的金；和
活化所述金/二氧化钛涂层的光源，并且当所述的金/二氧化钛涂层被所述的光源活化时，所述的金/二氧化钛涂层氧化吸附到所述金/二氧化钛涂层上的污染物。
2、如权利要求1所述的空气净化系统，其中所述的金的尺寸小于3纳米。
3、如权利要求1所述的空气净化系统，其中所述的光源是紫外光源。
4、如权利要求1所述的空气净化系统，其中来自所述光源的光子被所述的金/二氧化钛涂层吸收，形成活性氢氧基自由基，该氢氧基自由基在氧和水存在下，使污染物氧化成水和二氧化碳。
5、如权利要求1所述的空气净化系统，其中所述的污染物是选自由醛、酮、醇、芳香族化合物、烯烃和烷烃组成的组的挥发性有机化合物和半挥发性有机化合物中的一种。
6、如权利要求1所述的空气净化系统，其中所述的金/二氧化钛涂层在室温下使一氧化碳氧化成二氧化碳。
7、如权利要求1所述的空气净化系统，其中所述的金/二氧化钛催化涂层还包括掺杂剂，该掺杂剂防止所述的金在所述的二氧化钛表面上移动。
8、如权利要求7所述的空气净化系统，其中所述的掺杂剂为金属氧化物。
9、如权利要求7所述的空气净化系统，其中所述的掺杂剂为WO3、ZnO、CdS、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnOx、Cr2O3和ZrO2中的至少一种。
10、如权利要求1所述的空气净化系统，其中所述的基体是被固体壁分隔的空间阵列。
11、如权利要求1所述的空气净化系统，还包括外壳，该空气净化系统在所述的外壳中，所述外壳的壁衬以反射材料。
12、如权利要求1所述的空气净化系统，其中该空气净化系统是在室温下。
13、如权利要求1所述的空气净化系统，其中所述的纳米尺寸的金是纳米尺寸的含金的混合金属颗粒。
14、如权利要求13所述的空气净化系统，其中所述的纳米尺寸的含金的混合金属颗粒包括银、铑、钌、钯、铱、锇、铂和铼中的至少一种。
15、空气净化系统，包括：
具有入口和出口的容器；
在所述容器中的多孔基体；
一种系统，用于通过所述入口将流体吸入所述的容器，使所述的流体流过所述的多孔基体，并通过所述的出口使所述的流体排出所述的容器；
施涂到所述基体上的金/二氧化钛催化涂层，所述的金/二氧化钛涂层包括在二氧化钛上的纳米尺寸的金，所述的金降低一氧化碳的能垒，以使所述的一氧化碳氧化成二氧化碳；除纳米尺寸的金颗粒之外所述涂层还包括在二氧化钛上的掺杂剂，该掺杂剂是WO3、ZnO、CdS、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnOx、Cr2O3或ZrO2；和
活化所述催化涂层的紫外光源，来自所述紫外光源的光子被所述的金/二氧化钛催化涂层吸收，形成活性氢氧基自由基，并且当所述金/二氧化钛催化涂层被所述的紫外光源活化时，所述的活性氢氧基自由基在水和氧存在下，使被吸附到所述金/二氧化钛催化涂层上的所述流体中的污染物氧化成水和二氧化碳。
16、净化空气的方法，包括以下步骤：
将金/二氧化钛催化涂层施涂到基体上，所述的金/二氧化钛涂层包括在二氧化钛上的纳米尺寸的金；除纳米尺寸的金颗粒之外所述涂层还包括在二氧化钛上的掺杂剂，该掺杂剂是WO3、ZnO、CdS、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnOx、Cr2O3或ZrO2；
活化所述金/二氧化钛催化涂层；
来自光源的光子被所述的金/二氧化钛涂层吸收，形成活性氢氧基自由基；
使污染物吸附到所述的金/二氧化钛催化涂层上；
用所述的氢氧基自由基氧化所述的污染物；
用所述的金/二氧化钛催化涂层中的所述金，降低一氧化碳的能垒；和
然后氧化所述的一氧化碳。
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