CN101511467B - 抗硅氧烷紫外光催化剂 - Google Patents
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Abstract
抗失活光催化剂可通过在合适的底材上涂覆一种或多种光催化剂晶体来制得。所述光催化剂晶体被掺杂剂M所掺杂。所述掺杂剂可用以排斥硅基化合物或用以吸引硅基化合物。在一个实施方案中，所述掺杂剂可均匀地分散在光催化剂晶体中。在另一个实施方案中，所述掺杂剂可只引入到所述结构的表面以下约0.1到约2纳米的光催化剂晶体中。在另一个实施方案中，所述掺杂的光催化剂晶体可与非掺杂的光催化剂晶体交错分散。
Description
发明背景
1.发明领域
总体而言，本发明涉及一种改良的空气净化系统的催化剂。更具体而言，本发明涉及一种用以降低由硅基空气污染物引起的活性氧化物失活速率的空气净化系统的催化剂。
2.相关领域描述
有些建筑物利用空气净化系统来除去空气中的物质，如甲苯、甲醛、丙醛、丁烯和其他气源污染物。这些物质通常称作挥发性有机化合物，或称VOCs。通过除去气源中的VOCs，在保持合格空气质量且可有效地提供改进的环境的同时，建筑商可以节约由循环净化空气产生的能源成本并减少通入建筑物的新鲜空气量。
光催化作用是一种用以除去气态空气污染物(如VOCs)的成熟的方法。光催化空气净化系统使用光催化反应器，该光催化反应器包含涂覆了光催化剂的底材，当被适当的光源辐照时，光催化剂与空气中的氧和水分子相互作用形成羟基。这些光源通常为紫外(UV)光源。形成的羟基与VOCs反应且开始氧化反应，这使VOCs转化为低毒化合物，如水和二氧化碳。另外据信水蒸气、合适的高能光子及光催化剂的结合也能产生活性剂如过氧化氢，它能在其生成点几微米的范围内产生作用。这些活性剂也促进有机污染物的氧化作用。
常用光催化剂为二氧化钛，或称为钛白。Degussa P25钛白和接枝了三氧化钨的钛白催化剂，如在P25上的三氧化钨，已发现在用紫外光辐照时对去除VOCs特别有效。
光催化空气净化器的一个问题是光催化剂会由于含硅挥发性化合物(特别是公知的硅氧烷类化合物)的矿化而失活。通常当空气中的总VOCs的数量级为1ppm(体积)时，硅氧烷浓度通常低两个或更多的数量级。建筑物中挥发性的硅氧烷主要由某些个人护理产品或干洗液的使用引起，它们也可由硅填缝剂、粘接剂等的使用产生。由光催化剂释放的羟基攻击并氧化硅氧烷以形成固态的非挥发性的二氧化硅或水合二氧化硅，这使得光催化剂失活。这类失活是由活性光催化中心被氧化产物物理阻塞而产生的。当非挥发性硅化合物直接阻塞光催化涂层的孔时发生这种情况，而这些孔本来是空气中的其他VOCs接近所述活性光催化中心的通道。失活也可由于阻碍了VOCs与催化剂活性中心的相互作用而间接产生。
由硅化合物污染物产生的光催化中心的阻塞会在相当大的程度上缩减光催化剂的寿命，当光催化中心被阻塞时，光催化剂失效。如果光催化剂需要频繁更换，这会是一笔很大的花费。
因此，目前需要耐硅氧烷且在其上硅氧烷的效果明显减弱的空气净化系统。
本发明的一个目标是为市售空气净化器提供一种能免受空气中的硅污染物损害的或对其具有耐受作用的光催化剂。
本发明的另一目标是提供一种可以减小与目前可得净化系统的维护相关的成本的光催化剂。
发明概述
某些少量的材料(或称掺杂剂)可引入到光催化剂中，用以增加抗由硅基空气污染物引起的失活作用。在一个实施方案中，所述掺杂剂可均匀引入到光催化剂颗粒中。也可在距催化剂表面深度为0.1到2纳米接近表面层将掺杂剂引入。在另一个实施方案中，所述掺杂的光催化剂区域可与多个非掺杂的光催化剂区域交错分散(interdisperse)。可选择掺杂材料以排斥或吸引硅基化合物。
本领域技术人员可从以下详述、附图及所附权利要求书中领悟并了解本发明的上述和其他特征及优点。
附图简述
图1为本发明晶体结构的第一个实施方案的图示；
图2为本发明晶体结构的第二个实施方案的图示；和
图3为本发明晶体结构的第三个实施方案的图示。
发明详述
所述空气净化系统包括底材及涂覆于底材上的抗失活光催化剂。在优选的实施方案中，底材为蜂巢状铝。不过本发明考虑使用任何其他合适的底材材料。本发明优选的光催化剂为二氧化钛。这包括适当掺杂的二氧化钛，其中所述掺杂剂增加所述光催化剂的光催化活性(但可与选择性吸引或排斥硅化合物的本发明掺杂剂相同或不同，在下面讨论)，以及接枝了金属氧化物的二氧化钛光催化剂，如但不限于接枝了三氧化钨的二氧化钛。本发明也考虑使用其他的光催化剂，如但不限于：氧化锌、氧化锡或钛、锌、锡的氧化物的任意混合物。
在第一个实施方案中，包含掺杂剂M的光催化剂晶体均匀分布在整个晶体结构中。存在众多本领域技术人员公知的掺杂方法。在本发明中，全部的光催化剂材料可包含掺杂剂M，或只在暴露于周围空气中的接近所述光催化剂表面的那些含有掺杂剂M。对于后者的定位，所述掺杂剂可在约0.1到约2纳米的深度处引入。
来看图1，该图表示本发明的第一个实施方案。所述光催化剂晶体结构10含有多个掺杂的光催化剂晶体20。光催化剂晶体20又具有光催化剂区域30和掺杂剂区域40。
在第一个优选的实施方案中，单个的光催化剂晶体20具有式Ti(1-x)MxO2，其中x表示掺杂剂M的摩尔百分数。摩尔百分数x可从约0.001％到约30％，且优选为约1％到约3％。掺杂部位40间的距离可在约1纳米到约1微米之间，且优选为约3到约5纳米。这些摩尔百分数和掺杂部位40之间的距离确保最佳量的光催化剂区域30开放以释放羟基来分解其他空气污染物。
掺杂剂M可选择性地吸引硅化合物，这使所述硅化合物远离非掺杂的光催化剂区域30。因此，所述硅化合物，如硅氧烷，被吸引到掺杂剂区域40的催化剂表面，使光催化剂区域30自由地释放羟基以攻击和氧化残留的VOCs。如上所述，由光催化剂区域30产生的羟基可将硅氧烷氧化成较小的化合物，如二氧化硅。所有这些硅化合物可被吸引到掺杂剂区域40的掺杂催化剂表面，且能以机械的或化学的方法周期性从所述结构10的表面上清除。如，所述硅化合物可以用氟化氢溶液除去。
可吸引硅基化合物的备选的适宜掺杂剂M包括：第5族元素V、Nb和Ta；第6族元素Cr、Mo和W；第7族元素Mn和Re；第8族元素Fe、Ru和Os；第9族元素Co、Rh和Ir；第10族元素Ni、Pd和Pt；镧系元素Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Er和Tm；第14族元素C、Si、Ge和Sn；第15族元素N、P、As、Sb和Bi；第16族元素S、Se和Te；第17族元素F、Cl、Br和I。
或者，所述掺杂剂M可排斥硅化合物。这些备选的掺杂剂M可使所述光催化剂表面排斥硅化合物从而使所述硅化合物远离光催化剂区域30，且因此阻止它们粘附及阻塞光催化剂区域30。随后被排斥的硅化合物可以由许多机械的或化学的方法从光催化剂表面除去，如使用空气流。此外，所述掺杂剂排斥硅化合物的能力可通过在光催化结构10上覆以氢原子层来提高。该层可使所述硅化合物更难粘附到光催化剂区域30或掺杂部位40上，因为氢原子有助于消除一些本可使所述硅化合物吸引到光催化剂20上的原子力。
排斥硅氧烷的适宜掺杂剂包括：第1族元素H、Li、Na、K、Rb和Cs；第2族元素Mg、Ca、Sr和Ba；第13族元素B、Al、Ga、In和Tl；第11族元素Cu、Ag和Au；第12族元素Zn；镧系元素中的非电负性元素，如：Pm、Eu、Tb和Yb。
在本发明的另一个实施方案中(示于图2中)，第一个实施方案的掺杂的光催化剂晶体可分散于非掺杂的(“纯的”)光催化剂晶体中。因此，光催化剂结构110具有多个掺杂的光催化剂晶体120和多个纯光催化剂晶体115。
在图2的实施方案中，所述结构为具有交替的掺杂的光催化剂晶体120和纯的光催化剂晶体115的晶体环。然而，本发明考虑掺杂的光催化剂晶体120和纯的光催化剂晶体115的不同定向、图案和/或形状。可选择结构110的具体定向、构型、图案和/或形状以便于所述结构的形成、成层或生长，以及为了增加阻止在纯的光催化剂晶体115表面上形成硅基化合物的效率。结构110可为对称的或不对称的。如在第一个实施方案中，晶体中心之间的距离(在此指掺杂的光催化剂晶体120中心和纯的光催化剂晶体115中心之间的距离)可在约1纳米到约1微米之间，且优选为在约3到约5纳米之间。这有助于确保活性光催化部位的数量最优化。如上所述，所述掺杂剂可用以吸引或排斥所述硅基化合物，从而对纯的光催化剂晶体115表面上硅基化合物的形成起阻碍作用。
另外，本发明考虑使用吸引硅基化合物的第一类掺杂的晶体及使用排斥硅基化合物的第二类掺杂的晶体。该晶体结构的一个实例示于图3中并用附图标记210表示。在这类结构中，纯的光催化剂晶体215交错分散(interdispose)在多个排斥硅的光催化剂220及多个吸引硅的光催化剂225之间。光催化剂220具有光催化剂区域230及掺杂部位240，光催化剂225具有光催化剂区域235及掺杂部位245。掺杂部位240和245被前面讨论过的所列元素占据，掺杂部位240的掺杂剂选自所列举的排斥硅的元素，掺杂部位245的掺杂剂选自所列举的吸引硅的元素。光催化剂220和225通过吸引力或排斥力使硅化合物远离所述光催化部位来防止由硅化合物引起的阻塞。可选择具有第一类和第二类排斥和吸引掺杂晶体225和230的结构210的具体的定向、构型、图案和/或形状以及纯的光催化晶体230以便于所述结构的形成、成层或生长，以及为了增加阻止在纯的光催化剂晶体表面上形成硅基化合物的效率。在这个备选的实施方案中，结构210可为对称的或不对称的。
尽管已参考上述示例性实施方案描述了本公开，本领域技术人员应当理解的是，在不偏离本发明范围的情况下，可进行各种变化，并且可用其等价物替代其中的要素。此外，在不偏离本发明范围的情况下，可对本公开的教导进行许多改进以适应特定的情况或材料。因此，本公开并非意在受限于作为实现本发明的最佳方式而公开的具体实施方案，相反，本发明包括落入随附权利要求书的范围内的所有实施方案。
Claims (22)
1.一种空气净化系统，包括：
底材；和
光催化剂，其中所述光催化剂以晶体结构排列，所述晶体结构包含多个掺杂了掺杂剂M的光催化剂晶体，且其中所述掺杂的光催化剂晶体包含：
包含掺杂剂M的掺杂剂区域；和
不含掺杂剂M的光催化剂区域，其中所述掺杂剂M吸引硅化合物或排斥硅化合物。
2.权利要求1的空气净化系统，其中所述光催化剂选自二氧化钛、掺杂了增加其光催化能力的元素的二氧化钛、接枝了金属的二氧化钛、氧化锌、氧化锡或其任意组合。
3.权利要求1的空气净化系统，其中所述掺杂剂M吸引含硅化合物。
4.权利要求3的空气净化系统，其中所述掺杂剂M选自V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、C、Si、Ge、Sn、N、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、F、Cl、Br、I或其任意组合。
5.权利要求1的空气净化系统，其中所述掺杂剂M的摩尔百分数在0.001％-30％之间。
6.权利要求1的空气净化系统，其中所述掺杂剂M的摩尔百分数在1％-3％之间。
7.权利要求1的空气净化系统，其中所述掺杂剂M排斥硅化合物。
8.权利要求7的空气净化系统，其中所述掺杂剂M选自H、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、B、Al、Ga、In、Tl、Cu、Ag、Au、Zn、Pm、Eu、Tb、Yb或其任意组合。
9.权利要求7的空气净化系统，所述空气净化系统进一步包含所述晶体结构表面上的氢。
10.权利要求1的空气净化系统，其中所述晶体结构中的多个光催化剂晶体中的每一个都包含掺杂剂M，且其中掺杂剂M处于掺杂剂区域中。
11.权利要求10的空气净化系统，其中所述掺杂区域间的距离在1纳米到1微米之间。
12.权利要求10的空气净化系统，其中所述掺杂区域间的距离在3纳米到5纳米之间。
13.权利要求1的空气净化系统，其中在距光催化剂晶体结构表面深度为0.1到2纳米处将掺杂剂M引入光催化剂晶体。
14.权利要求1的空气净化系统，所述空气净化系统进一步包含交错分散于所述多个掺杂的光催化剂晶体中的多个纯光催化剂晶体。
15.权利要求14的空气净化系统，其中晶体中心之间的距离为1纳米到1微米之间。
16.权利要求14的空气净化系统，其中晶体中心之间的距离为3纳米到5纳米之间。
17.权利要求10的空气净化系统，其中所述掺杂剂区域沿着所述晶体结构中的多个光催化剂晶体中的每一个居中分布。
18.一种空气净化系统，包括：
底材；和
光催化剂，其中所述光催化剂以晶体结构排列，所述晶体结构包含含有吸引硅化合物的掺杂剂M的第一类掺杂的光催化剂晶体，含有排斥硅化合物的掺杂剂M’的第二类掺杂的光催化剂晶体，以及交错分散于所述掺杂的光催化剂晶体的多个纯光催化剂晶体。
19.权利要求18的空气净化体系，其中所述多个纯光催化剂晶体交错分散于掺杂M的和掺杂M’的光催化剂晶体中。
20.权利要求19的空气净化体系，其中所述晶体结构基本上是对称的。
21.一种空气净化方法，包括：
使用光催化剂来净化空气中的挥发性有机化合物；和
通过使用第一类光催化剂晶体、第二类光催化剂晶体或其组合来排斥硅化合物或吸引硅化合物来阻止含硅化合物在光催化剂的光催化剂晶体表面上形成，其中所述第一类光催化剂晶体包含掺杂M的区域和光催化剂区域，第二类光催化剂晶体包含掺杂M’的区域和光催化剂区域，且其中所述掺杂M的区域包含吸引硅化合物的掺杂剂M，所述掺杂M’的区域包含排斥硅化合物的掺杂剂M’且所述光催化剂区域不含掺杂剂M或掺杂剂M’。
22.权利要求21的空气净化方法，所述方法还包括使氢位于至少一部分所述光催化剂上。
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