CN104437548A - 一种可见光光催化薄膜及制备方法以及具有他的照明灯具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可见光光催化薄膜及制备方法以及具有他的照明灯具，该照明灯具包括外壳、安装于外壳上的LED光源和设置于LED光源外侧的网状灯罩，网状灯罩表面涂覆有掺杂量子点材料和半导体材料的可见光光催化薄膜。本发明网状灯罩实现空气流通，提高空气净化作用；量子点材料使半导体材料的吸收光谱展宽和红移，使得吸收光由紫外移至可见光范围，有利于可见光的吸收，更加安全；可见光光催化薄膜吸收LED光源中的可见光后在量子点材料表面形成电穴和游离电子，其结合空气中的水和氧气发生氧化还原反应，并在表面形成强氧化性的氢氧自由基及活性离子，从而将空气中的有机物和有害气体等物质分解，达到空气净化、杀菌、除臭和防霉的功效。

Description

一种可见光光催化薄膜及制备方法以及具有他的照明灯具

技术领域

本发明涉及一种可见光光催化薄膜及制备方法以及具有他的照明灯具。 

背景技术

工业的发展造成环境问题的日益突出，寻求能有效去除污染物的方法已是迫在眉睫的急切任务。在环境有害气体方面，室内有害气体污染尤其成为人们的常见问题。室内环境是与外界大环境相对分隔而成的小环境，包括涉及工作、学习、娱乐、购物等各方面的办公室、学校教室、体育馆、医院、写字楼等相对封闭的各种场所。人的一生有70～90%的时间在室内渡过，因此室内环境质量对人们的生活和工作质量及身体健康影响远远超过室外环境，因此如何灭杀室内空气中有害物如装饰材料等释放出的甲醛以及生活环境中产生的甲硫醇等挥发性污染物，成为人们日益关切地问题。 

半导体光催化技术作为一种新型的环境净化和能源转换技术，在产氢、水处理、各种有机物降解和空气净化等领域展示了广阔的应用前景。光催化作用在光照下可以直接发生反应，能有效地破坏许多结构稳定的生物难降解有机污染物，使它们降解为二氧化碳和水等；氧化能力强，降解彻底，对污染物没有选择性，几乎可以降解任何有机物，且无二次污染；能耗低，操作简便，催化剂可以重复利用等。因此，半导体光催化技术得应用越来越广泛。在已有技术CN201340037、CN 102980068、CN 2695784、CN201429058和CN 102840565等专利已提出了一种家用空气净化灯具，主要是采用传统光源的同时增加了紫外光源，通过紫外光线照射TiO₂光催化剂涂层来实现光催化净化功能。已有技术虽然能实现空气净化作用，但是由于使用到了紫外线灯，容易造成紫外线外漏，紫外线对人类的皮肤和视力都有严重的损害，因此不是室内净化的最佳方案。 

针对以上应用缺陷，亟需一种既可以净化空气又安全的照明灯具。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种可见光光催化薄膜及制备方法以及具有他的照明灯具。 

实现本发明目的的技术方案是：一种可见光光催化薄膜，包括量子点材料和半导体材料按照质量百分比为0.1%～3%复合而成的。 

进一步的，所述半导体材料为ZnO、TiO₂、SnO₂、ZrO₂、Co₃O₄、Fe₃O₄、La₂O₃、Ni(OH)₂、In₂TiO₅、BiOCl、BiOF、BiPO₄、CdMoO₄、CdWO₄、La₂Sn₂O₇、La₂Ti₂O₇、LaCoO₃、PbMoO₄、PbSb₂O₆、PbWO₄、Sr₂Ta₂O₇、SrTiO₃、SrWO₄、ZnMoO₄、ZnSb₂O₆、ZnWO₄、WO₃、Cu₂O、In₂O₃、ZnS、CdS、CdSe、Bi₂O₃、BiOI、BiVO₄、BiWO₄、Bi₂MoO₆、InVO₄、InNbO₄、Ag₃PO₄、AgCl、AgBr、AgI、MoO₃、MoS₂中的一种或几种。 

进一步的，所述量子点材料包括氧化物量子点材料、硫化物量子点材料、碳材料量子点材料中的一种或几种。 

进一步的，所述氧化物量子点材料为Bi₂O₃、Bi₂WO₆、Cu₂O、CuO、ZnO中的一种或几种；所述硫化物量子点为CdS、ZnS、CuS、Ag₂S、CuInS₂、PbS中的一种或几种；所述碳材料量子点为碳量子点和石墨烯量子点中的一种或几种。 

进一步的，所述量子点材料还包括CdSe，CdTe，硅量子点中的一种或几种。 

进一步的，一种可见光光催化薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤： 

（1）a、将量子点材料和半导体材料按照质量百分比为0.1%～3%的配比，称量各组分；b、然后将称量好的物料加入到10～20 ml 的 0.05～0.2 mol/l的盐溶液中，在25～35℃下搅拌0.5～1小时，使得混合溶液均匀;c、滴加Na(OH)₂溶液，使得混合溶液的pH值在7～9之间，室温25～35℃下搅拌0.5～1小时;d、将搅拌好的混合溶液放入微波反应合成仪里，在温度110～160℃和功率80～150 W条件下，反应10～30分钟后得到复合光催化剂；

（2）称量1～2 g上述制备好的物料加入到研钵中，将松油醇和乙基纤维素按照质量百分比为1:0.1混合成的浆料逐滴加入研钵中，复合催化剂与浆料质量百分比为4～8：100，研磨2～4小时，得到光催化剂浆料； 

（3）在金属网上采用现有技术涂覆一层光催化剂材料，现有技术包括丝网印刷、旋涂、喷涂、化学浴沉积或提拉法，然后在空气中进行加热处理，其热处理温度为120～450℃，时间为1～2小时，得到该可见光光催化薄膜。

进一步的，一种具有可见光光催化薄膜的照明灯具，包括外壳、安装于所述外壳上的LED光源和设置于所述LED光源外侧的网状灯罩，所述网状灯罩表面涂覆有掺杂量子点材料和半导体材料的可见光光催化薄膜。 

进一步的，所述网状灯罩为金属网；所述外壳为平板外壳或筒状外壳。 

进一步的，所述LED光源为7000～10000K的高色温可见光LED光源、5000～7000K中色温可见光LED光源、3000～5000K低色温可见光LED光源中的一种或几种；所述LED光源为白光LED光源；所述可见光光催化薄膜的吸收光谱波长为400～700nm可见连续波段。 

进一步的，所述可见光光催化薄膜的厚度为0.1～20μm。 

本发明具有积极的效果：本发明中网状灯罩可以实现空气流通，提高空气净化作用；网状灯罩表面涂覆有掺杂量子点材料和半导体材料的可见光光催化薄膜，量子点材料则可以使半导体材料的吸收光谱展宽和红移，使得吸收光由紫外移至可见光范围，有利于可见光的吸收，更加安全。可见光光催化薄膜在吸收LED光源中的可见光光能量后，量子点材料表面形成电穴和游离电子，其结合空气中的水和氧气发生氧化还原反应，并在表面形成强氧化性的氢氧自由基（OH）及活性离子（O₂ ^-），从而能将空气中的有机物和有害气体等物质分解，达到空气净化、杀菌、除臭和防霉的功效。 

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中： 

图1为本发明第一实施方式的剖面示意图；

图2为本发明第一实施方式的网状灯罩结构示意图；

图3为本发明第一实施方式的整体结构示意图；

图4为本发明第二实施方式的剖面示意图；

图5为本发明第三实施方式的剖面示意图；

图6为本发明第三实施方式的整体结构示意图。

其中：1、平板外壳，2、LED光源，3、反光层，4、PC灯罩，5、网状灯罩，6、筒状外壳。 

具体实施方式

本发明的第一实施方式提供一种可见光光催化薄膜，包括量子点材料和半导体材料按照质量百分比为0.1%～3%复合而成的。 

第一实施方式中半导体材料为ZnO、TiO₂、SnO₂、ZrO₂、Co₃O₄、Fe₃O₄、La₂O₃、Ni(OH)₂、In₂TiO₅、BiOCl、BiOF、BiPO₄、CdMoO₄、CdWO₄、La₂Sn₂O₇、La₂Ti₂O₇、LaCoO₃、PbMoO₄、PbSb₂O₆、PbWO₄、Sr₂Ta₂O₇、SrTiO₃、SrWO₄、ZnMoO₄、ZnSb₂O₆、ZnWO₄、WO₃、Cu₂O、In₂O₃、ZnS、CdS、CdSe、Bi₂O₃、BiOI、BiVO₄、BiWO₄、Bi₂MoO₆、InVO₄、InNbO₄、Ag₃PO₄、AgCl、AgBr、AgI、MoO₃、MoS₂中的一种或几种；量子点材料包括氧化物量子点材料、硫化物量子点材料、碳材料量子点材料中的一种或几种；氧化物量子点材料为Bi₂O₃、Bi₂WO₆、Cu₂O、CuO、ZnO中的一种或几种；硫化物量子点为CdS、ZnS、CuS、Ag₂S、CuInS₂、PbS中的一种或几种；碳材料量子点为碳量子点和石墨烯量子点中的一种或几种；量子点材料还包括CdSe，CdTe，硅量子点中的一种或几种。 

第一实施方式还提供一种可见光光催化薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤： 

1）光催化剂的制备

将质量百分比为1%的ZnS与ZnO加入到20 ml 的0.1 mol/l的ZnSO₄溶液中，将溶液放入35 ml的微波管里，室温35℃下搅拌半小时，使得溶液均匀；然后滴加Na(OH)₂溶液，使得溶液的pH为9，室温35℃下搅拌1小时，然后放入微波反应合成仪里，在温度 150 ℃和功率100 W条件下，搅拌10分钟后得到ZnO-ZnS复合光催化剂；                                     

2）可见光光催化薄膜的涂装

取1g的ZnO-ZnS复合光催化剂复合光催化剂放入研钵中，将按照质量百分比为1:0.1的松油醇和乙基纤维素的混合液逐滴加入到研钵中，研磨3小时，制备成ZnO-ZnS复合光催化剂浆料；采用多次浸渍提拉法在网状灯罩3上制备一层厚度约为15μm的薄膜，然后在空气中进行加热处理，其热处理温度为450 ℃，时间为1小时，得到ZnO-ZnS复合可见光光催化剂薄膜。

如图1至图3所示，第一实施方式还提供一种具有可见光光催化薄膜的照明灯具，包括平板外壳1、安装于平板外壳1上的LED光源2和金属网的网状灯罩5，网状灯罩5表面涂覆有掺杂量子点材料和半导体材料的可见光光催化薄膜，网状灯罩5设置于LED光源2的两端。 

本实施方式中LED光源2可以为7000～10000K的高色温可见光LED光源、5000～7000K中色温可见光LED光源、3000～5000K低色温可见光LED光源中的一种或多种，本实施方式优选6000K中色温可见光LED光源，在色温为6000 K的LED光源2的照射下，光催化降解甲醛的效率达到94%；其中，可见光光催化薄膜的吸收光谱波长为400～700nm可见连续波段，可见光光催化薄膜的厚度为0.1～20μm，本实施方式优选可见光光催化薄膜的厚度为15μm，具体不作限定。 

本实施方式中网状灯罩5可以实现空气流通，提高空气净化作用；网状灯罩5表面涂覆有掺杂量子点材料和半导体材料的可见光光催化薄膜，量子点材料可以使半导体材料的吸收光谱展宽和红移，使得吸收光由紫外移至可见光范围，有利于可见光的吸收，更加安全；可见光光催化薄膜在吸收LED光源2中的可见光后，在量子点材料表面形成电穴和游离电子，其结合空气中的水和氧气发生氧化还原反应，并在表面形成强氧化性的氢氧自由基（OH）及活性离子（O₂ ^-），从而能将空气中的有机物和有害气体等物质分解，达到空气净化、杀菌、除臭和防霉的功效。 

其余与第一实施方式相同，不同之处在于，第二实施方式提供的可见光光催化薄膜的制备方法包括以下步骤： 

1）光催化剂的制备

将质量百分比为3%的Bi₂O₃和HAuCl₄加入到10 ml的0.05 mol/l的Na₂WO₄溶液中，将溶液放入35 ml的微波管里，室温25℃下搅拌1小时，使得溶液均匀；然后将10 ml的 0.05 mol/l的ZnSO4溶液滴加在上述溶液中，在室温下搅拌半小时，滴加Na(OH)₂溶液，使得溶液的pH为7，室温25℃下搅拌0.5小时，然后放入微波反应合成仪里，在温度110 ℃和功率80 W条件下，反应30分钟后得到ZnWO₄-Au- Bi₂O₃复合光催化剂；

2） 可见光光催化薄膜的涂装

取2g的ZnWO₄-Au- Bi₂O₃复合光催化剂放入研钵中，研磨30分钟，将质量百分比为1:0.1的松油醇和乙基纤维素的混合液逐滴加入到研钵中，研磨2小时，制备成ZnWO₄-Au- Bi₂O₃复合光催化剂复合光催化剂浆料。采用丝网印刷法在室内筒灯金属网罩5的正反面分别印刷ZnWO₄-Au- Bi₂O₃复合光催化剂浆料，然后在空气气氛中进行加热处理，其热处理温度为120 ℃，时间为2小时，获得厚度约为20μm的ZnWO₄-Au- Bi₂O₃复合可见光光催化剂薄膜。

如图4所示，在第一实施方式的基础上，第二实施方式提供的LED光源2两端与网状灯罩5之间还设置有反光层3，LED光源2前端还设置有PC灯罩4，反光层3将LED光源2的光线反射到网状灯罩5上，增强光源的吸收，提高光源的利用率，更加环保。 

其余与第一、第二实施方式相同，不同之处在于，第三实施方式提供的可见光光催化剂薄膜的制备方法包括以下步骤： 

1）光催化剂的制备

将质量百分比为0.1%的ZnS与ZnO加入到15ml 的0.2 mol/l的ZnSO₄溶液中，将溶液放入35 ml的微波管里，室温30℃下搅拌0.8小时，使得溶液均匀；然后滴加Na(OH)₂溶液，使得溶液的pH为8，室温下搅拌0.8小时，然后放入微波反应合成仪里，在温度 160 ℃和功率150 W条件下，搅拌20分钟后得到ZnO-ZnS复合光催化剂；                                     

2）可见光光催化薄膜的涂装

取1.5g的ZnO-ZnS复合光催化剂复合光催化剂放入研钵中，将按照质量百分比为1:0.1的松油醇和乙基纤维素的混合液逐滴加入到研钵中，研磨4小时，制备成ZnO-ZnS复合光催化剂浆料；采用多次浸渍提拉法在网状灯罩3上制备一层厚度约为0.1μm的薄膜，然后在空气中进行加热处理，其热处理温度为300 ℃，时间为1.5小时，得到ZnO-ZnS复合可见光光催化剂薄膜。

如图5至图6所示，第三实施方式的照明灯具包括筒状外壳6、设置于筒状外壳6上的LED灯源2和网状灯罩5，网状灯罩5设置于LED灯源2前端，LED灯源2与网状灯罩5之间还可以设置有反光层3。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种可见光光催化薄膜，其特征在于，包括量子点材料和半导体材料按照质量百分比为0.1%～3%复合而成的。

2.根据权利要求1所述的可见光光催化薄膜，其特征在于，所述半导体材料为ZnO、TiO₂、SnO₂、ZrO₂、Co₃O₄、Fe₃O₄、La₂O₃、Ni(OH)₂、In₂TiO₅、BiOCl、BiOF、BiPO₄、CdMoO₄、CdWO₄、La₂Sn₂O₇、La₂Ti₂O₇、LaCoO₃、PbMoO₄、PbSb₂O₆、PbWO₄、Sr₂Ta₂O₇、SrTiO₃、SrWO₄、ZnMoO₄、ZnSb₂O₆、ZnWO₄、WO₃、Cu₂O、In₂O₃、ZnS、CdS、CdSe、Bi₂O₃、BiOI、BiVO₄、BiWO₄、Bi₂MoO₆、InVO₄、InNbO₄、Ag₃PO₄、AgCl、AgBr、AgI、MoO₃、MoS₂中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的可见光光催化薄膜，其特征在于，所述量子点材料包括氧化物量子点材料、硫化物量子点材料、碳材料量子点材料中的一种或几种。

4.根据权利要求3所述的可见光光催化薄膜，其特征在于，所述氧化物量子点材料为Bi₂O₃、Bi₂WO₆、Cu₂O、CuO、ZnO中的一种或几种；所述硫化物量子点为CdS、ZnS、CuS、Ag₂S、CuInS₂、PbS中的一种或几种；所述碳材料量子点为碳量子点和石墨烯量子点中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的可见光光催化薄膜，其特征在于，所述量子点材料还包括CdSe，CdTe，硅量子点中的一种或几种。

6.一种如权利要求1-5任一所述的可见光光催化薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

（1）a、将量子点材料和半导体材料按照质量百分比为0.1%～3%的配比，称量各组分；b、然后将称量好的物料加入到10～20 ml 的 0.05～0.2 mol/l的盐溶液中，在25～35℃下搅拌0.5～1小时，使得混合溶液均匀;c、滴加Na(OH)₂溶液，使得混合溶液的pH值在7～9之间，室温25～35℃下搅拌0.5～1小时;d、将搅拌好的混合溶液放入微波反应合成仪里，在温度110～160℃和功率80～150 W条件下，反应10～30分钟后得到复合光催化剂；

（2）称量1～2 g上述制备好的物料加入到研钵中，将松油醇和乙基纤维素按照质量百分比为1:0.1混合成的浆料逐滴加入研钵中，复合催化剂与浆料质量百分比为4～8：100，研磨2～4小时，得到光催化剂浆料；

（3）在金属网上采用现有技术涂覆一层光催化剂材料，现有技术包括丝网印刷、旋涂、喷涂、化学浴沉积或提拉法，然后在空气中进行加热处理，其热处理温度为120～450℃，时间为1～2小时，得到该可见光光催化薄膜。

7.一种具有如权利要求1-5任一所述的可见光光催化薄膜的照明灯具，其特征在于，包括外壳、安装于所述外壳上的LED光源和设置于所述LED光源外侧的网状灯罩，所述网状灯罩表面涂覆有掺杂量子点材料和半导体材料的可见光光催化薄膜。

8.根据权利要求7所述的具有可见光光催化薄膜的照明灯具，其特征在于，所述网状灯罩为金属网；所述外壳为平板外壳或筒状外壳。

9.根据权利要求7所述的具有可见光光催化薄膜的照明灯具，其特征在于，所述LED光源为7000～10000K的高色温可见光LED光源、5000～7000K中色温可见光LED光源、3000～5000K低色温可见光LED光源中的一种或几种；所述LED光源为白光LED光源；所述可见光光催化薄膜的吸收光谱波长为400～700nm可见连续波段。

10.根据权利要求7所述的具有可见光光催化薄膜的照明灯具，其特征在于，所述可见光光催化薄膜的厚度为0.1～20μm。