CN105013320A

CN105013320A - 一种可见及近红外光led光触媒装置及其制备方法

Info

Publication number: CN105013320A
Application number: CN201410168293.4A
Authority: CN
Inventors: 诸葛飞; 吴明番; 王敬蕊; 李菲
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-11-04

Abstract

本发明涉及一种可见及近红外光发光二极管(LED)光触媒装置及其制备方法，该光触媒装置包括能产生可见光或者近红外光的LED照明灯具以及覆盖在灯具上的光触媒膜层，其特征在于：所述可见光或者近红外光是主波长在400～1400nm波长的弱光区域光源；本发明的优点在于：在可见光或者近红外光或者弱光照射下，也能产生良好的光催化反应，从而极大拓宽了光触媒的应用领域，使得光触媒可以广泛应用于公共场所及家居环境；采用与掺杂改性光触媒带隙结构相匹配的特定波长可见光或近红外光LED作为激发光源，大幅提高了光催化的量子产率，从而使光触媒的催化功效得以大幅提升；近红外光LED或弱光光触媒装置可以二十四小时不间断工作，可以应用在一些特殊场合。

Description

一种可见及近红外光LED光触媒装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可见及近红外光光触媒装置，尤其涉及一种覆盖有可见光或者近红外光光触媒膜层的可见及近红外光发光二极管(LED)光触媒装置与制作方法，可广泛应用于环保、医疗保健等与光触媒相关的各技术领域。

背景技术

光触媒在特定波长光照射下，会产生具有强还原性的自由电子和强氧化性的空穴，同时，电子和空穴分别与环境中的O₂和H₂O作用，生成氧化力极强的自由氢氧基和活性氧，这些粒子可以氧化还原分解绝大部分有机污染物(包括甲醛、甲苯、氨基等)和部分无机污染物(包括CO、NO_x与SO₂等)，而且能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，杀灭细菌。光触媒能把有机污染物和细菌分解成无污染的H₂O和CO₂，而自身不发生变化。此外，部分光触媒(例如TiO₂)具有超亲水性，空气中会在表面形成一层均匀水膜，附着的污染物容易清洗。因此，光触媒具有优异的净化空气、防污自清洁、杀菌等功能。

光触媒可用来喷涂墙面、地面、家具表面，也可以用光触媒制造成各种工艺品等，但室内的光能极为有限，光触媒通常没有发挥出高效率。如果将光触媒喷涂于灯具的出光面制成光触媒灯，当光触媒灯通电时，表面的光触媒涂层产生极具活性的氢氧自由基，当空气流动时(如室内有人走动)，有害气体和细菌碰到灯管的表面，会很快就被分解或杀灭，最终达到空气净化和灭菌的效果。光触媒层的亲水特性还可以在膜层表面形成一层平铺的水膜，从而导致灰尘难以附着在灯体表面，因而使灯具具有自清洁的效果。

传统光触媒材料(主要是TiO₂)只有在紫外光(波长<400nm)的激发下才能生成产生作用。但是，紫外光只占太阳光能量的3–5％，对于普通照明用的节能灯，紫外光含量只有数ppm(百万分之一)。紫外灯由于对人体的伤害，不能作为通用激发光源在公共场所及家居环境使用。因此，紫外光激发限制了传统光触媒材料的应用范围及功效。

我们已授权专利CN201020599506.6公开了一种LED光触媒面光源装置，在LED光源的出光面上覆盖一层传统或金属元素掺杂改性光触媒膜层，这种面光源装置虽然可以在紫外光或可见光(380nm<波长<780nm)照射下产生一定光触媒作用，但是其主要功能还在于可见光照明。

在一些特殊场合，比如医院病房等，需要LED光触媒装置二十四小时不间断地工作，进行杀菌消毒，而且不会影响病人的睡眠，目前还没有此类产品。

发明内容

本发明针对以上不足提供了一种可见及近红外光LED光触媒装置及其制备方法，采用过渡金属或非金属元素对传统光触媒材料进行掺杂，改变带隙结构，使其在可见光或近红外光照射下，也能产生良好的光催化反应。采用与改性光触媒能带相匹配的特定波长可见光或近红外光LED作为激发光源，大幅提高了光催化的量子产率，从而使光触媒的催化功效得以大幅提升。近红外光LED光触媒装置可以二十四小时不间断工作，可以应用在一些特殊场合。

本发明公开了一种可见及近红外光发光二极管(LED)光触媒装置，包括能产生可见光或者近红外光的LED照明灯具以及覆盖在灯具上的光触媒膜层，其特征在于：

所述可见光主波长至少是在400～1400nm波长中的一种LED光源；

所述光触媒膜层是覆盖在灯具出光面的膜层。

作为优选，：所述光触媒膜层至少是覆盖在灯具出光面的金属或非金属掺杂改性的纳米尺寸TiO₂颗粒膜层。

作为优选，所述光触媒层的厚度为80nm～2mm。

作为优选，所述光触媒层中TiO₂颗粒平均粒度小于30nm。

作为优选，所述光触媒层中TiO₂掺杂元素为Fe、Cu、Cr、Co、Nb等过渡金属元素或B、C、N等非金属元素中的一种或多种。

作为优选，所述光触媒层中掺杂元素在TiO₂中所占原子百分比为0.01％～10％。

我们经过长期研究分析，采用过渡金属或非金属元素掺杂改性可以有效提高光触媒对可见光(400nm<波长<780nm)及近红外光(780nm<波长<1400nm)的响应。一方面，掺杂可以使带隙变窄，能量对应可见光或近红外光波长，另一方面，掺杂会在带隙中引入缺陷能级，在可见光或近红外光照射下，缺陷能级中的电子跃迁至导带，或者价带电子跃迁至缺陷能级。因此，对于掺杂改性光触媒材料，可见光或近红外光激发就可以产生自由电子和空穴，这无疑极大拓宽了光触媒的应用领域，同时光催化效率也得到大幅提升。

作为优选，所述近红外光至少是主波长在780～1400nm波长中的一种LED光源。

作为优选，所述可见光或者近红外光是主波长在400～1400nm波长的弱光区域光源。

本发明所述的弱光区域的定义是：光通量远低于一般照明光源光通量，人眼无法正常感知，但其光通量仍可以对光触媒材料激发产生自由电子和空穴，并仍足以产生良好光催化反应的可见光或者近红外光发光区域。

本发明还公开了一种可见及近红外光LED光触媒装置的制备方法，包括以下步骤：

掺杂改性的TiO₂膜层的制备过程如下：

直接将掺杂改性的TiO₂颗粒覆盖于LED灯具出光表面，形成掺杂改性TiO₂膜层；

或者先将掺杂改性的TiO₂颗粒按0.1～50％的重量比分散于以透明环氧树脂或透明硅树脂等为母体的有机聚合物中，然后将混合物覆盖于LED灯具出光表面，形成掺杂改性TiO₂颗粒/有机聚合物母体复合膜层；

或者先将未改性TiO₂颗粒覆盖于LED灯具出光表面，形成未改性TiO₂膜层，然后利用离子注入等方法对TiO₂膜层进行掺杂改性，得到掺杂改性的TiO₂膜层。

TiO₂膜层中掺杂改性的TiO₂颗粒的制备过程如下：

选用包含金属或非金属掺杂元素的前驱物，采用沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法等液相方法，直接制备掺杂改性的纳米TiO₂颗粒；

或者先采用沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法等液相方法，制备未掺杂的纳米TiO₂颗粒，然后利用离子注入等方法对TiO₂颗粒进行掺杂改性，得到掺杂改性的纳米TiO₂颗粒。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明采用过渡金属或非金属元素对传统光触媒材料进行掺杂，改变带隙结构，使其在可见光或近红外光照射下，也能产生良好的光催化反应，从而极大拓宽了光触媒的应用领域，使得光触媒可以广泛应用于公共场所及家居环境。采用与掺杂改性光触媒带隙结构相匹配的特定波长可见光或近红外光LED作为激发光源，大幅提高了光催化的量子产率，从而使光触媒的催化功效得以大幅提升。近红外光LED及弱光区域光源光触媒装置可以二十四小时不间断工作，可以应用在一些特殊场合，例如医院病房等。

附图说明

图1为实施例1中基于可见光LED球泡灯的光触媒装置示意图；

图2为实施例2中基于近红外光LED面光源的光触媒装置示意图；

图3为实施例3中基于近红外光LED面光源的光触媒装置示意图；

图4为实施例4中基于弱光面光源的光触媒装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

图1为基于可见光LED球泡灯的光触媒装置示意图。光触媒装置包括能产生特定波长(400nm<波长<780nm)可见光的LED球泡灯以及覆盖于灯具出光面的掺杂改性的TiO₂光触媒膜层。选用包含金属(Fe、Cu、Cr、Co、Nb等)掺杂元素的前驱物，采用沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、水热法等液相方法，制备掺杂改性的纳米TiO₂颗粒，平均粒径小于10nm，掺杂元素在TiO₂中所占原子百分比为0.1％～1％。采用喷涂、浸渍、涂敷等方法将掺杂改性的TiO₂颗粒覆盖于LED灯具出光表面，形成掺杂改性TiO₂膜层，膜厚100nm～100μm。该光触媒装置的空气净化效果达到：甲醛、甲苯、氨降解率≥90％，硫化氢降解率≥95％，CO、NO_x、SO₂降解率≥85％，杀菌率≥99％。

实施例2

图2为基于近红外光LED面光源的光触媒装置示意图。光触媒装置包括能产生特定波长(780nm<波长<1400nm)近红外光的LED面板光源以及覆盖于光源出光面的掺杂改性的TiO₂光触媒膜层。采用沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、水热法等液相方法，制备未掺杂的纳米TiO₂颗粒，平均粒径小于20nm。采用喷涂、浸渍、涂敷等方法将未掺杂的TiO₂颗粒覆盖于LED光源出光表面，形成未掺杂TiO₂膜层，膜厚100nm～100μm。选用B、C、N等非金属元素作为掺杂剂，利用离子注入等方法对TiO₂膜层进行掺杂改性，得到掺杂改性的TiO₂膜层，掺杂元素在TiO₂中所占原子百分比为0.5％～10％。该光触媒装置的空气净化效果达到：甲醛、甲苯、氨降解率≥85％，硫化氢降解率≥90％，CO、NO_x、SO₂降解率≥85％，杀菌率≥99％。

实施例3

图3为基于近红外光LED面光源的光触媒装置示意图。光触媒装置包括能产生特定波长(780nm<波长<1400nm)近红外光的LED面板光源以及覆盖于光源出光面的掺杂改性TiO₂颗粒/有机聚合物母体复合膜层。选用包含金属(Fe、Cu、Cr、Co、Nb等)掺杂元素的前驱物，采用沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、水热法等液相方法，制备掺杂改性的纳米TiO₂颗粒，平均粒径小于10nm，掺杂元素在TiO₂中所占原子百分比为0.1％～1％。将掺杂改性的TiO₂颗粒按0.1～10％的重量比分散于以透明环氧树脂或透明硅树脂等为母体的有机聚合物中。采用喷涂、浸渍、涂敷等方法将混合物覆盖于LED光源出光表面，形成掺杂改性TiO₂颗粒/有机聚合物母体复合膜层，膜厚1μm～1mm。该光触媒装置的空气净化效果达到：甲醛、甲苯、氨降解率≥90％，硫化氢降解率≥95％，CO、NO_x、SO₂降解率≥85％，杀菌率≥99％。

实施例4

图4为基于弱光面光源的光触媒装置示意图。光触媒装置包括能产生特定波长(400nm<波长<780nm)弱可见光的面光源以及覆盖于光源出光面的掺杂改性TiO₂光触媒膜层。选用包含非金属(B、C、N等)掺杂元素的前驱物，采用沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、水热法等液相方法，制备掺杂改性的纳米TiO₂颗粒，平均粒径小于10nm，掺杂元素在TiO₂中所占原子百分比为0.1％～1％。采用喷涂、浸渍、涂敷等方法将掺杂改性的纳米TiO₂颗粒覆盖于弱可见光光源出光表面，形成掺杂改性TiO₂膜层，膜厚100nm～100μm。该光触媒装置的空气净化效果达到：甲醛、甲苯、氨降解率≥87％，硫化氢降解率≥92％，CO、NO_x、SO₂降解率≥81％，杀菌率≥98％。

Claims

1.一种可见及近红外光发光二极管(LED)光触媒装置，包括能产生可见光或者近红外光的LED照明灯具以及覆盖在灯具上的光触媒膜层，其特征在于：

所述可见光主波长至少是在400～1400nm波长中的一种LED光源；

所述光触媒膜层是覆盖在灯具出光面的膜层。

2.根据权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于：所述光触媒膜层至少是覆盖在灯具出光面的金属或非金属掺杂改性的纳米尺寸TiO₂颗粒膜层。

3.根据权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于：所述近红外光主波长至少是在780～1400nm波长中的一种LED光源。

4.根据权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于：所述可见光或者近红外光是主波长在400～1400nm波长的弱光区域光源。

5.根据权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于：直接将掺杂改性的TiO₂颗粒覆盖于LED灯具出光表面，形成掺杂改性TiO₂膜层。

6.根据权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于：先将掺杂改性的TiO₂颗粒按0.1～50％的重量比分散于以透明环氧树脂或透明硅树脂等为母体的有机聚合物中，然后将混合物覆盖于LED灯具出光表面，形成掺杂改性TiO₂颗粒/有机聚合物母体复合膜层。

7.根据权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于：先将未改性TiO₂颗粒覆盖于LED灯具出光表面，形成未改性TiO₂膜层，然后利用离子注入等方法对TiO₂膜层进行掺杂改性，得到掺杂改性的TiO₂膜层。

8.根据权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于：TiO₂膜层中掺杂改性的TiO₂颗粒的制备过程是选用包含金属或非金属掺杂元素的前驱物，采用液相方法：如沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法直接制备掺杂改性的纳米TiO₂颗粒。

9.根据权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于：先采用液相方法：如沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法制备未掺杂的纳米TiO₂颗粒；然后利用离子注入法对TiO₂颗粒进行掺杂改性，得到掺杂改性的纳米TiO₂颗粒。