CN104437304A - 一种光催化灯及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种光催化灯，在玻璃灯管外壁从内往外依次设有金属导线、氧化锌涂层、二氧化钛涂层；所述的灯管内壁喷涂有荧光粉，灯管两端设置灯丝并封口，灯丝连接有电源线；灯管外壁的的两根金属导线上也连接有电源线，一根接正极，另一根接负极；所述的氧化锌涂层属六方晶系，厚度为2—10个分子层，并与金属导线充分接触，同时保证二根金属导线间的电阻值小于50欧姆；所述的二氧化钛涂层属锐钛矿晶型，厚度为2～10个TiO2分子层。本发明采用内生紫外光源，由内向外照射光催化剂层，提高了光催化降解的效率1～35倍，并延长了光催化灯的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于环保设施领域，特指一种光催化灯及其制造方法，涉及光催化降解技术，用于高效降解污水或空气中的有机物，也可用来对空气进行杀菌消毒处理。
背景技术
当今或在今后相当长时间内，人们会对光催化降解技术备受关注，因为该技术操作简便、成本低廉、不形成二次污染。光催化剂以TiO2为主，具有廉价、无毒、稳定、可重复使用等特性。然而，由于光催化剂的固定或者回收方面的技术难以掌控，其在降解污水或空气中的有机物的应用尚不普及。在实际应用时，常常把光催化剂TiO2烧结在基板上或其它多孔的载体上，使其增加与被降解底物接触几率。但外加的紫外光源必须先穿过被降解的底物层，然后才被光催化剂(TiO2)吸收而激发出光生电子-空穴，从而发生一系列催化过程。紫外光源在穿过被降解底物层时会被吸收、散射，被降解底物层厚度和的该介质层中各种物质的分子结构决定吸收率，被吸收的紫外光转变成热量耗散。在接触光催化剂前，部分紫外光被吸收和散射，所以对底物层的降解速率和效果产生明显影响，由此影响光催化的降解效率。
发明内容
本发明的目的是为了提高光催化降解的效率，提供一种新型灯具-光催化灯及其制造方法，本发明的技术方案如下：
一种光催化灯，在玻璃灯管外壁从内往外依次设有金属导线、氧化锌涂层、二氧化钛涂层；
所述的灯管内壁喷涂有荧光粉，灯管两端设置灯丝并封口，灯丝连接有电源线；灯管外壁的的两根金属导线上也连接有电源线，一根接正极，另一根接负极；
所述的氧化锌涂层属六方晶系，厚度为2～10个分子层，并与金属导线充分接触，同时保证金属导线间的电阻值小于50欧姆；
所述的二氧化钛涂层属锐钛矿晶型，厚度为2～10个TiO2分子层。
上述光催化灯的具体制作工艺包括以下步骤：
1.在玻璃灯管外壁印刷宽度3mm以下的导电金属线；
2.在灯管玻璃表面做镀锌(Zn)处理，涂层厚度2～10个分子层。保证涂层连续，并与银线充分接触，电阻值小于25欧姆；
3.对已做镀锌(Zn)处理的灯管做氧化处理，在表面形成氧化锌(ZnO)；同时控制管径大小，使两根导电金属线之间填充二氧化钛涂层，调控金属线间的距离(半导体涂层宽度)使其保持适当值，保证二根金属导线间的电阻值小于50欧姆。可以通过控制涂层的宽度来调整二根金属导线间的电阻值，或者可以在导线之间放置别的导体材料，藉以精确控制电阻)；
4对上述已做镀锌处理的玻璃灯管再镀光催化剂，一般镀TiO2处理，涂层厚度为2～10个TiO2分子层；
5在400-700℃的温度下烘烤1-5小时，使TiO2转化成锐钛矿晶型，ZnO转化成六方晶系；
6.在玻璃管内喷涂发光粉，使发光的波长最适宜于激发出光生电子-空穴；根据步骤5所用的光催化剂确定发光的波长和发光粉的种类；
7.在玻璃管两端安装灯丝，然后封口，并在封口板上引出电源线；
8.从灯管两端的两根银线引出4个端口，其中一根导电金属线所对应的两个端口为正极，另一根导电金属线所对应的两个端口为负极。
作为进一步设置，所述的玻璃管在涂层前进行过磨砂处理，使玻璃的硅键(Si-)暴露，便于在玻璃管表面做镀膜，并增加膜的牢固性。
本发明的工作原理是：把有益于光催化降解的条件集成在紫外灯管的表面，把现有技术使用的外加紫外光源变成内生紫外光源，把紫外光灯管的外壁做成固定光催化剂的载体，避免外加紫外光源与催化剂之间介质对外加紫外光的吸收。再通过工艺过程，使灯管的表面能导电，产生电压，实现电场协助光催化反应，从根本上解决光生电子-空穴复合的问题。在导电液镀层后(如涂Zn)，对表层做氧化处理(如产生ZnO)，然后再做TiO2涂层，形成ZnO/TiO2复合结构，实现光生电荷的分离，在500度的温度下烘烤，使TiO2以锐钛矿晶型的形态，即最强的催化活性形态，最大的接触表面。
目前常规的方法是通过外加紫外光照射来激发光催化剂表面产生光生电子-空穴。本发明采用内生紫外光源，由内向外照射光催化剂层，激发生成光生电子-空穴的效率将大大提高，同时通过半导体复合层结构的设计，提高光生电子-空穴的分离。此外，外加诱导电场的设计，能够进一步提升光催化降解效率。体现出来的有益效果是：提高了光催化降解的效率1～35倍，并延长了光催化灯的使用寿命。
附图说明
图1为光催化灯的仰视图；
图2为沿图1中E-E线的剖视图；
图3为图2中F处局部放大图；
图4为沿图1中G-G线的剖视图；
图5为金属导线在玻璃灯管外壁的分布示意图。
附图标记说明：
1玻璃灯管，21正极银线，22负极银线，3氧化锌涂层，4二氧化钛涂层，5发光粉涂层，6封口板，7灯丝，8电源线，9电源线正极，10电源线负极。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细阐述。
实施例1：
本实施例的光催化灯结构如图1～图5所示，因为在发明内容里已经描述清楚，在此不再重复赘述。只说明一下，请参看图5，本实施例使用的金属导电线是正极银线21和负极银线22。
光催化灯使用时，通过电源线正极9、电源线负极10在银线两极施加0.1～220V电压，使灯管表面形成电场。在灯丝7的引出电源线8上通电，激活发光粉涂层5，灯管发出的紫外光线透过玻璃灯管1照射到氧化锌涂层3和二氧化钛涂层4上，当内生紫外光源照射到光催化剂层时，其表面会产生大量光生电子-空穴，由于光生电子受电场的影响而离开空穴，避免了光生电子-空穴的复回，两根金属导电线之间的电场电压会影响光生电子的移动速度和概率，一般会提高光生电子-空穴产量1-35倍。因为所产生的空穴有非常强的氧化活性，对有机物的氧化无选择性，当外界环境中的有机物碰撞到二氧化钛涂层4表面，便被即刻氧化，由此完成光催化的过程。本发明的光催化灯适用于广告牌、玻璃窗、玻璃墙、污水处理设备、废气处理设备等。
实施例2：
结构和制作步骤基本上与实施例1相同，除了可以先在玻璃管表面镀锌外，本实施例还可以进行镀铜处理，然后控制氧化条件，生成氧化亚铜，然后再进行二氧化钛的涂覆，从而形成Cu2O/TiO2复合结构。由于Cu2O禁带宽度约为2.0eV，在可见光区具有良好的光吸收特性，可以提高光催化剂在可见光下的催化活性，拓宽光催化的光谱，从而实现在太阳光直接照射下的水中有机污染物、空气中挥发性污染物(VOC)的处理。
水中污染物的去除，本发明的光催化灯可以固定于盛水的容器或者管路中，接通电源，光催化灯被点亮，在光催化灯外表面的TiO2及Cu2O受激发，在导带上生成还原性很强的光生电子，同时在价带上产生氧化性很强的空穴。此外，由于导带、价带位置不同产生的电势差，使得Cu2O上的光生电子向TiO2导带移动，而价带上的空穴移动方向与此相反。当含有机污染物的废水流过光催化灯的表面，与光催化灯外表面的TiO2半导体催化剂活性成分接触，有机污染物被快速的氧化为无害的CO2。同时，由于TiO2与玻璃管表面结合牢固，可以极大的延长光催灯的使用寿命。
对于含有重金属的污水，在光催化灯被点亮后，在灯管外表面的半导体被激发，在导带上生成还原性很强的光生电子，同时在价带上留下氧化性极强的空穴。当含重金属的污水流过光催化灯的表面时，重金属离子如Cr6+被迅速还原，实现重金属污染离子的去除。同时，由于TiO2与玻璃管表面结合牢固，可以极大的延长光催灯的使用寿命。
实施例3：
结构和制作步骤基本上与实施例1相同，除了可以先在玻璃管外涂覆锌或铜等金属，本实施例再控制氧化条件，生成氧化锌或氧化亚铜半导体氧化物外，还可以直接将氧化锌或氧化亚铜纳米粒子涂覆在玻璃灯管外表面，在涂覆的时候，可以采用多种方法增强半导体粒子与玻璃管表面的粘结牢固性。例如，通过加入含硅前驱体溶液，并控制反应条件水解形成薄的SiO2层，使半导体纳米粒子涂层与玻璃管表面牢固结合。
实施例4：
本发明除了在玻璃管外涂覆氧化锌或氧化亚铜半导体纳米粒子外，还可以根据不同应用需求在灯管外表面涂覆氧化锰(MnO)、氧化镍(NiO)以及氧化锡(SnO及SnO2)等半导体纳米粒子。如针对水中有机污染物光催化降解，可以涂覆氧化锰(MnO),这些半导体粒子能够与二氧化钛涂层形成异质结构，可以有效的分离光生电子-空穴对，增强光催化效果，尤其是光催化氧化效果。如针对水中重金属离子的光催化降解，可以在灯管外表面涂覆氧化镍(NiO)或氧化锡(SnO)，增强光催化效果，尤其是光催化还原效率。
实施例5：
本发明除了在玻璃管表面选择金属银线作为辅助电场的电极外，还可以在玻璃的表面镀上氧化铟锡(ITO)导线作为电极，通过调控氧化铟锡线宽，改善ITO导线的导电性。同时，调整ITO导线间的距离，使导线间的涂层电阻小于50Ω。
实施例6：
本发明除了以氧化铟锡(ITO)导线作为电极取代银电极外，还可以在灯管表面镀上掺杂氟的SnO2透明导电玻璃(FTO)涂层，FTO具有电阻率低、化学性能稳定以及室温下抗酸碱能力强等特点。通过控制FTO涂层的宽度可以调节涂层的导电性，控制两根金属导线之间的电极电阻小于50Ω。
Claims (8)
1.一种光催化灯，在玻璃灯管外壁从内往外依次设有金属导线、氧化锌涂层、二氧化钛涂层；
所述的灯管内壁喷涂有荧光粉，灯管两端设置灯丝并封口，灯丝连接有电源线；灯管外壁的两根金属导线上也连接有电源线，一根接正极，另一根接负极；
所述的氧化锌涂层属六方晶系，厚度为2～10个分子层，并与金属导线充分接触，同时保证银线间的电阻值小于50欧姆；
所述的二氧化钛涂层属锐钛矿晶型，厚度为2～10个TiO2分子层。
2.如权利要求1所述的一种光催化灯，其制作工艺包括以下步骤：
1).在玻璃灯管外壁印刷宽度3mm以下的导电金属线；
2).在灯管玻璃表面做镀锌(Zn)处理，涂层厚度2～10个分子层。保证涂层连续，并与银线充分接触。电阻值小于25欧姆；
3)对已做镀锌(Zn)处理的灯管做氧化处理，在表面形成氧化锌(ZnO)；同时控制管径大小，在两根导电金属线之间填充二氧化钛半导体涂层，调控金属导线间的距离(半导体涂层宽度)保持适当值，保证金属导线间的电阻值小于50欧姆；
4).对上述已做镀锌处理的玻璃灯管再镀光催化剂，一般镀TiO2处理，涂层厚度为2～10个TiO2分子层；
5).在400-700℃的温度下烘烤1～5小时，使TiO2转化成锐钛矿晶型，ZnO转化成六方晶系；
6).在玻璃管内喷涂发光粉，使发光的波长最适宜于激发出光生电子-空穴；根据步骤5所用的光催化剂确定发光的波长和发光粉的种类；
7).在玻璃管两端安装灯丝，然后封口，并在封口板上引出电源线；
8).从灯管两端的两根银线引出4个端口，其中一根银线所对应的两个端口为正极，另一根银线所对应的两个端口为负极。
3.如权利要求2所述的光催化灯制作工艺步骤，其特征在于：所述的玻璃灯管在涂层前进行磨砂处理，使玻璃的硅键(Si-)暴露。
4.如权利要求2或3所述的光催化灯制作工艺步骤，其特征在于：所述的步骤2)是在玻璃管表面进行镀铜处理，然后控制氧化条件，生成氧化亚铜，然后再进行二氧化钛的涂覆，从而形成Cu2O/TiO2复合结构。
5.如权利要求2或3所述的光催化灯制作工艺步骤，其特征在于：所述的步骤2)是直接将氧化锌或氧化亚铜纳米粒子涂覆在玻璃灯管外表面，在涂覆的时候，可以采用多种方法增强半导体粒子与玻璃管表面的粘结牢固性；例如，通过加入含硅前驱体溶液，并控制反应条件水解形成薄的SiO2层，使半导体纳米粒子涂层与玻璃管表面牢固结合。
6.如权利要求2或3所述的光催化灯制作工艺步骤，其特征在于：所述的步骤2)是根据不同应用需求在灯管外表面涂覆氧化锰(MnO)、氧化镍(NiO)以及氧化锡(SnO及SnO2)等半导体纳米粒子。
7.如权利要求2或3所述的光催化灯制作工艺步骤，其特征在于：所述的步骤1)是在玻璃的表面镀上氧化铟锡(ITO)导线作为电极，通过调控氧化铟锡线宽，改善ITO导线的导电性；同时，调整ITO导线间的距离，使导线间的涂层电阻小于50Ω。
8.如权利要求2或3所述的光催化灯制作工艺步骤，其特征在于：所述的步骤2)是在灯管表面镀上掺杂氟的SnO2透明导电玻璃(FTO)涂层；通过控制FTO涂层的宽度可以调节涂层的导电性；同时，通过调整FTO涂层间距，控制FTO电极之间的电阻小于50Ω。
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