CN101495227A - 空气净化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空气净化系统，其包括基材和至少一层光催化剂。该至少一层光催化剂还包括许多金属簇。
Description
公开背景
1.公开领域
本公开一般涉及空气净化系统。更具体地说，本公开涉及空气净化装置或系统，其包括抵抗或减缓光催化剂材料的失活的光催化剂。
2.相关技术描述
建筑物可以使用空气净化系统来提高室内空气的质量，从而使建筑物工作者减少与室外环境的空气流通，创造更干净的室内环境，或两者皆有。通常通过使用气态污染物去除技术的空气净化来提高室内空气的质量。光催化是已经被证实了用于去除气态空气传播的物质，如包括甲苯、甲醛和其它的气源污染物的挥发性有机化合物(VOC)的技术。
光催化空气净化器使用含有光催化剂的基材或筒，当被放置在合适的光源下时，光催化剂与空气中的氧气和水分子相互作用从而形成羟基自由基。然后，该自由基攻击污染物，并且起始将污染物转为有害性减少的化合物(如水和二氧化碳)的氧化反应。还认为水蒸气、合适的高能光子和光催化剂的结合还产生如过氧化氢的活性氧剂，其可以经过离其源头几微米的距离进行作用。该活性剂也有助于有机污染物的氧化。
光催化剂的失活限制了光催化空气净化器的效力。已经发现，目前可用的系统随时间表现出催化能力的显著丧失。由于与清洁和/或置换光催化剂筒相关的劳动和设备成本，这会造成对于空气净化系统的使用者的巨大花费。
因此，需要可以抵抗一般的失活和/或抵抗由于污染物浓度的突然和/或持续上升而失活的空气净化系统或光催化剂。
公开简述
本公开提供包括基材和至少一层光催化剂的空气净化系统。该光催化剂还包括许多金属簇。该金属簇可以包括贵金属。
在一个实施方案中，金属簇在整个光催化剂层中平均分布。在另一个实施方案中，金属簇在整个光催化剂层中不均匀浓集。光催化剂层还可以涂覆有布置成多孔结构的光催化剂层，并且涂覆有对紫外光透明的高表面积的合适的低传质阻力物质层。
从以下的详细介绍、附图和所附的权利要求，本领域的一般技术人员会认识并且理解本公开的以上所介绍的和其它的特性和优势。
附图简述
图1显示了示例实施方案的蜂窝结构的顶视图，该蜂窝结构可以被用作本公开的空气净化单元中的基材；
图2显示了沿着图1的线2-2所取的截面图；
图3是图1的环3的展开图；
图4显示了具有本公开的示例实施方案光催化剂层的空气净化系统；并且
图5显示了具有本公开的第二示例实施方案光催化剂层的空气净化系统。
公开详述
本公开的空气净化单元包括基材，该基材具有在其上分布的许多光催化剂。这些光催化剂可以后面所介绍的方式加载许多金属筏(raft)或簇。这些金属簇会防止光催化剂在VOC的突发浓度峰值或VOC的持续高浓度的过程中(无论光源开启或关闭)被压制。
本公开已经发现光催化剂会被有机污染物，如乙醇、异丙醇和其它的对催化表面具有高亲和力的物质或气态化合物(当被氧化时，该气态化合物形成永久阻塞催化剂的活性位点的化合物或部分)压制。该化合物不能去除，除非通过外来剂进行作用，如用清洁剂，或将该化合物从光催化剂表面脱除。
当VOC浓度非常高时，当光源开启时，这些浓度可能过高以致光催化剂不能跟上，并且/或光催化剂不能与空气传播的水分子相互作用而形成足够的羟基自由基从而保持活性位点可用于进一步的反应。当VOC浓度长时间升高，当光源被关掉时，这种现象也可能发生。然后，污染物可以相互反应形成漆膜，其占据光催化剂位点并且阻碍光催化剂氧化污染物的能力。
本公开的金属簇被展开于光催化剂中用于VOC的分解或最小化，从而保证光催化剂不被过早地失活或消耗。该簇使其它的表面反应在污染物浓度的突发峰值的过程中或当光源被关掉时能够进行，并且提高对高分子量有机表面污染物的氧化破坏，否则其会通过阻塞光催化剂表面位点来抑制或毒害正常的光催化氧化。这样的突发事件一般包括污染物浓度的突然升高，举例来说，升高到大约百万分之十(ppm)，其中光催化剂则在大约1ppm的污染物水平操作。该簇还可以在没有光的存在下氧化污染物，与光催化剂不同。金属簇被设计成通过后面进一步详细讨论的过程来阻碍或防止由于有机污染物的光催化剂失活。
因此，在本公开中，极高度分散的金属簇的催化氧化活性对破裂任何有机漆膜或覆盖层有巨大的作用，该有机漆膜或覆盖层是由于光催化剂暴露于高于光催化剂可以容易地氧化的浓度的有机气体造成的。另外，当空气净化单元被关闭并且光源被关掉时，该氧化活性可以持续。这是重要的，因为当该单元被重新启动时，在金属微粒附近的清洁了的光催化位点产生活性氧物质，活性氧物质可以攻击金属微粒之间的有机漆膜。
可以通过在合适的基材之上铺设或放置一种或多种光催化剂来形成抗失活光催化剂。参考图1-3，显示了包括许多六角形单元110的蜂窝基材100。单元110具有单元壁115。单元壁115的每一侧都涂覆有光催化剂层120。六角形设计会是最有成本效益的，但是也可以使用正方形、矩形或三角形单元。理想的是基材100包括薄的低成本的材料，该材料抵抗紫外光(UV)和空气降解，具有能够连接光催化材料的表面。在优选的实施方案中，基材100由铝形成。但是，本公开考虑到使用其它任何适合的能够支持光催化剂的用于基材的材料。
参考图4和5，显示了具有单元壁115和光催化剂层120的蜂窝基材100的展开图。光催化剂表面上的亚纳米贵金属簇优选以少量存在。因为该簇吸收光，位于暴露于光源的光催化剂的表面特定深度的簇的浓度必须被校准，这样由于金属筏的光吸收不会防止足量的光到达光催化剂。光催化剂层120中存在的金属簇的量优选为总重量的约1％或更少。这个浓度可以在整个光催化剂层120都是基本一致的，如图4中所示，或可以成梯度或非均匀的，如图5所示。
在图4中所示的实施方案中，金属簇在整个光催化剂层120中以约0.1％重量的量存在。在图5中所示的实施方案中，金属簇在最接近暴露于周围空气和光源的光催化剂层120的表面的区域130中是约0.1％重量到约0.3％重量的浓度，在最接近基材壁115的第二区140中是约1.5％重量到约2％重量的浓度。在这个实施方案中，光催化剂层120可以为6微米深，区域130和第二区140可以为0.5微米深。
光被光催化领域中一般技术人员所熟知的方式引入到光催化剂层120。本公开中使用的光源优选为UV光源。
在图4和图5的实施方案中的任意一个中，簇浓度优选进行选择，以使约25％的光催化剂释放的气相活性氧化合物(举例来说，过氧化氢)会维持足够长的时间从而与由于升高的VOC浓度形成的任何含碳层进行反应。这取决于选择的特定的金属对于光催化剂释放的活性氧化合物的亲和力。空气中存在的VOC水平和环境的严重性也是确定光催化剂中簇浓度的重要因素。
本公开优选的光催化剂是二氧化钛，例如但不限于Degussa P25。光催化剂还可以包括合适地掺杂的二氧化钛，其中掺杂物提高它的光催化活性，和金属氧化物接枝的二氧化钛催化剂，例如但不限于氧化钨接枝的二氧化钛。本公开还考虑到使用其他的光催化剂，例如但不限于氧化锌、氧化锡或氧化钛、氧化锌和氧化锡的任何混合物。
纳米金属簇在光催化剂晶体(在它们被铺设到基材100的单元壁115上之前)上的沉积可以通过化学方法和/或从胶体溶液进行，尽管本公开也考虑了其它沉积方法。将金属簇施加到光催化剂晶体的化学方法可以包括通过本领域一般技术人员已知的任何方法将前体引入到光催化剂，该前体是金属盐或络合物，如H2PtCl6、[(NH3)4Pt](NO3)、H2AuCl4或其他合适的化合物。这些方法可以包括将前体溶解在合适的溶剂中，如水或合适的有机溶剂，调整pH，与光催化剂粉末进行混合，干燥，任选煅烧，还可任选在含氢气氛中还原，并且钝化。可以在光催化剂粉末接触金属前体溶液之前或期间使用合适的分散助剂溶液，例如但不限于三乙醇胺或酒石酸。可以同时或依次地引入超过一种的金属。煅烧、还原和钝化这些步骤对于本领域的一搬技术人员是熟知的，从而将金属盐或络合物转化为光催化剂表面上高度分散的金属簇。
或者，作为胶体悬浮体预先形成的纳米金属或混合金属簇可以被施加于光催化剂粉末。光催化剂和悬浮体中的金属簇可带有相反电荷并且进行混合，以使簇在光催化剂晶体上均匀分散。为了帮助这些纳米簇的均匀分散，光催化剂粉末可以首先用柠檬酸铵、柠檬酸或明胶溶液等进行处理。在光催化剂晶体与胶体悬浮体进行接触前，将这样的金属簇沉积到光催化剂晶体上的方法包括但不限于以上所讨论的那些，并且是本领域中熟知的。
用于簇的金属可以为任意的贵金属。优选使用金、铂、钯或其任何混合物。簇可以为2纳米或更少的宽度。簇还优选是3原子层或更少的厚度。光催化剂层120应该是多孔的，并且具有低传质阻力，以使贵金属簇被暴露。
当光催化剂层120未暴露于UV照射并经受了污染物浓度的持续升高时，贵金属簇具有通过下面所介绍的过程氧化污染物的能力。该过程使层120中的光催化剂位点自由，这样当光催化剂层120再次被暴露于UV照射时，它能够形成羟基自由基并且氧化在层120上累积的任何污染物。
将贵金属簇加入到光催化剂组合物中促进其它的反应途径，从而抵抗由于有机污染物的光催化剂位点的阻塞，通过两个重要的机制：1)用作吸附氧的活性位点，即使在没有UV照射下，和2)用作电子陷阱从而提高超氧自由基O2 -的形成。虽然对于促进氧化分解反应，氧吸附剂和形成的超氧自由基可能不如羟基自由基重要，它们可以在减轻在酸性或碱性氧化物表面上或在UV辐射的影响下出现的污染物缩合反应起到重要作用，并且还有助于过氧化氢的形成。贵金属簇会提高活性氧的吸附和解离，活性氧可以移动到氧化物的表面与有机污染物覆盖层反应并将其氧化掉，否则有机污染物覆盖层会使光催化剂失活。
通过对簇金属的明智选择，甲醛和一氧化碳的单程功效可以被提高，尽管金属的不同选择可能对于氧化芳香族化合物更有效。例如，已经发现金或混合金的金属簇在氧化一氧化碳或甲醛上特别有效，已经发现铂或其它以铂族为基础的簇在芳香族化合物的氧化上特别有效。
当使用金或混合金的金属簇时，理想的是将光催化剂与有效量的金锚固剂一起配制，一般是约2％原子比或更少。这有助于防止金属簇在光催化剂周围漂动以及与其它簇融合。金锚固剂包括但不限于铁。在这个实施方案中，如果光催化剂是二氧化钛，它会以化学式Ti(1-x)FexOy表示，其中x是0.001到0.02，y是平衡正Ti+4和Fe+3物质的电荷的合适的值。x的值具有上限，该上限与光催化剂微晶的大小反相关，越小的微晶能耐受越大的x值。过量的掺杂物对于光催化活性具有严重的负作用。
另外，本公开的特性可以与当基于有机硅的污染物例如硅氧烷存在时使用的空气净化系统和方法联合使用。这些系统和方法在名为”HIGH SURFACE AREA LARGE PORE DEACTIVATIONRESISTANT PHOTOCATALYSTS(高表面积大孔失活抗性光催化剂)”的共同未决申请中进行了介绍，该申请具有代理人案号No.0002488WOU，提交于XXXXXXXX，并且通过引用被结合到本文中。因此光催化剂可以被布置为多孔结构，并且可以涂覆有对UV光透明的高表面积、小集料尺寸、合适的低传质阻力材料层，例如某些蒸气沉积二氧化硅。该材料可以防止硅化合物到达光催化剂表面，这使光催化剂可以恰当地氧化VOC。
虽然通过参考以上的示例实施方案已经介绍了本公开，本领域的一般技术人员会理解可以进行多种改变并且可以用等价物代替其要素而不偏离其范围。另外，可以进行许多改动从而使具体的情况或材料适合本公开的教导而不偏离其范围。因此，本公开不被作为考虑被用于实施本公开的最佳模式而被公开的具体实施方案所限制，但是本公开包括所有在所附的权利要求范围内的实施方案。
Claims (12)
1.一种空气净化系统，所述空气净化系统包括：
基材；和
包括许多金属簇的至少一层光催化剂。
2.权利要求1的空气净化系统，其中所述基材是铝蜂窝。
3.权利要求2的空气净化系统，其中所述光催化剂是二氧化钛、掺杂的二氧化钛、金属氧化物接枝的二氧化钛、氧化锌、氧化锡或其任何混合物，并且其中所述掺杂的二氧化钛具有提高所述光催化剂活性的掺杂物。
4.权利要求1的空气净化系统，其中所述许多金属簇包括一种或多种贵金属。
5.权利要求1的空气净化系统，其中所述许多金属簇包括金或混合金的金属，并且其中所述至少一层光催化剂包含约2％原子比或更少的锚固剂。
6.权利要求5的空气净化系统，其中所述锚固剂是铁。
7.权利要求1的空气净化系统，其中所述许多金属簇在至少一层光催化剂中具有约1％或更少的重量比。
8.权利要求7的空气净化系统，其中所述许多金属簇在整个至少一层光催化剂中是基本均匀浓集的。
9.权利要求7的空气净化系统，其中所述许多金属簇在至少一层光催化剂的第一区中的浓度低于在所述至少一层光催化剂的第二区中的浓度，其中所述第一区暴露于周围空气。
10.权利要求9的空气净化系统，其中所述许多金属簇在所述第一区中以约0.1％至约0.3％重量的量存在，并且其中所述许多金属簇在所述第二区中以约1.5％至约2％的量存在。
11.权利要求1的空气净化系统，其中所述许多金属簇具有约2纳米或更少的宽度，并且具有3或更少原子层的深度。
12.权利要求1的空气净化系统，其中所述至少一层光催化剂布置为多孔结构，并且涂覆有蒸气沉积二氧化硅层。
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