CN107106979B - 一种用于空气净化的新型热催化氧化材料及其装置 - Google Patents
一种用于空气净化的新型热催化氧化材料及其装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种包括催化转化器(100)的空气净化器(1)，催化转化器(100)包括(i)催化活性材料(120)及(ii)与所述催化活性材料(120)热接触的可加热材料(130)，其中可加热材料(130)是通过交变电场和交变磁场中的一项或多项可加热的，空气净化器(1)进一步包括场发生器(140)，场发生器(140)被配置为不与可加热材料(130)电接触并被配置为在空气净化器(1)的操作期间通过交变电场和交变磁场中的一项或多项来加热可加热材料(130)。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化器及用于与这样的空气净化器一起使用的催化转化器。本发明还涉及用于消减空气中的诸如VOC(挥发性有机化合物)的可转化化合物的方法。
背景技术
空气净化系统在本领域中是已知的。例如，WO2004/112958描述了金/二氧化钛光催化/热催化涂层，其将吸附到涂层上的挥发性有机化合物和一氧化碳同时氧化成水、二氧化碳及其他物质。金具有小于3纳米的大小。当紫外光的光子由金/二氧化钛涂层吸附时，形成反应性的羟基自由基。当污染物被吸附到金/二氧化钛涂层上时，羟基自由基将污染物氧化，以产生水、二氧化碳及其他物质。金是降低一氧化碳的能垒以将一氧化碳氧化成二氧化碳的氧化催化剂。因此，金/二氧化钛涂层还可以同时将一氧化碳氧化成二氧化碳。
发明内容
人们在室内度过约80％-90％的时间，且室内环境对人体健康和工作效率具有重要影响。室内空气例如被定义为在住宅、办公室、学校、购物中心、医院和汽车、飞机座舱、潜艇舱等非工业区域中的空气。室内空气通常包含处于比室外空气更高的浓度的、大量的挥发性有机化合物(VOC，例如甲醛、苯、甲苯、二甲苯)。根据世界卫生组织(WHO)的定义，VOC被援引为在50℃-260℃的沸点范围中的所有有机化合物，其中芳族化合物、醛类和卤烃是出现最多的化合物。VOC是病态建筑综合症(SBS)的主要诱因，其是对眼、鼻、喉及相关中枢神经系统(CNS)的黏膜的刺激。许多VOC还已知是有毒的并被认为是致癌的、诱变的或致畸的。怎样消除连续释放的VOC，并防止其累积对人体健康是重要的。
消除VOC的常见方法包括增大空气交换速率和使用空气净化器。目前，空气净化器的使用对于封闭的室内空气环境变得更受欢迎。传统空气净化器使用吸附材料(例如，颗粒活性炭)吸附VOC。然而，这些技术仅将污染物转变成另外的相，而不是将它们消除。活性炭的吸附/饱和寿命约3个月/千克。后续需要额外的处置/处理步骤，以用于再生及防止二次污染。此外，对于具有低分子量(MW<50-60g/mol，少于四个原子)和低沸点(<0℃)的有机化合物，炭的吸附能力显著降低。
一种备选的补救技术是使用热催化氧化(TCO)，该技术拥有多个优于常规吸附技术的优点。对于VOC的消减，热催化氧化(TCO)是最有效的技术之一，因为在某些催化剂之上VOC可以在低得多的温度处氧化成CO2，并且TCO有望具有比各种吸附方法长的有效寿命。目前，一些基于商业TCO的空气净化器已在市场中可获得。这些产品声称它们可以在室温下去除甲醛。
目前的TCO材料存在若干问题。目前，大多数TCO材料(例如MnOx、CeO2、CoOx、FeOx)需要加热到某一温度以提高它们的催化性能。对于传统加热方法，电阻电热丝是常用加热源。在空气净化器中，我们需要考虑消防安全。因此，需要复杂的设计以确保空气可以流过设备并且热可以安全地被传递到TCO催化层。在这种条件下，环境空气将不可避免地升温，这对于室内空气净化是能量浪费的、危险及不舒服的。另外，大多数TCO材料是具有低表面积(约1m2/g-5m2/g)的固体颗粒，这难以捕获并催化气流中的污染气体。此外，寿命可能是个问题。大多数TCO催化剂在使用期间逐渐失去活性。恢复活性的一种有效方式是在高温下再生催化剂。常规加热方法将导致各种危害，诸如火灾、有害气体的释放。
因此，本发明的一个方面是提供一种备选的空气净化器，其优选地进一步、至少部分地消除了上述缺点中的一项或多项。另外，本发明的一个方面是提供一种备选的催化转化器，其优选地进一步、至少部分地消除了上述缺点中的一项或多项。此外，本发明的一个方面是提供一种备选的空气净化方法，其优选地进一步、至少部分地消除了上述缺点中的一项或多项。
因此，在第一方面中，本发明提供了一种包括(a)催化转化器的空气净化器(在本文中也被指示为“净化器”或“设备”)，该催化转化器包括(i)催化活性材料(在本文中也被指示为“催化材料”)及(ii)与所述催化活性材料热接触的可加热材料，其中可加热材料是通过交变电场和交变磁场中的一项或多项可加热的，该空气净化器进一步包括(b)场发生器，该场发生器特别地被配置为不与可加热材料电接触，并被配置为在空气净化器的操作期间通过交变电场和交变磁场中的一项或多项来加热可加热材料。
在又一方面中，本发明还提供了催化转化器本身，即包括(i)催化活性材料及(ii)与所述催化活性材料热接触的可加热材料的催化转化器，其中可加热材料是通过交变电场和交变磁场中的一项或多项可加热的。
利用这样的空气净化器和/或这样的催化转化器，挥发性有机化合物和/或诸如NOx和/或CO的其他化合物可以利用相对低的能量输入并以相对节约的方式被消减(例如通过分解和/或转化)。可加热材料与催化活性材料处于热接触，并可以以这种方式、以非常高效的方式将热能提供给催化材料。因此，热管理可能是优异的，并且能量的浪费可以被最小化。以这种方式，在处理净化器方面的风险也可以最小化，因为可能不存在热能的不必要的多余生成，热能的不必要的多余生成会引起可能对于使用是危险的和/或可能导致净化器比必要寿命短的寿命的热点。
本发明的元件包括催化转化器，其可以由如本文所限定的空气净化器包括。这种催化转化器可以是颗粒状材料。然而，催化转化器也可以是固体结构，诸如涂覆有催化活性材料和/或其他材料的线。催化转化器也可以包括层状结构。另外，催化转化器可以包括基底，其包括功能材料(诸如催化活性材料及可加热材料，以及可选地，多孔材料(还见于下文))。然而，催化转化器也可以包括前面提及的实施例之一的混合结构。下文更详细地阐述催化转化器的一些实施例。
催化活性材料(功能材料之一)特别地包括催化剂，其被配置为用于催化氧化和/或分解有机化合物，特别是挥发性有机化合物，和/或用于氧化和/或分解空气中可获得的另外的物质，诸如NOx(即NO2、NO、N2O等)、CO和臭氧(O3)中的一种或多种，特别是NOx和/或臭氧。因此，在一个实施例中，催化活性材料包括热催化氧化材料和/或热催化分解材料。另外，在一个实施例中，催化转化器可以(因此)包括热催化氧化剂。热能特别地用于增大催化分解和/或催化氧化的反应速度。由场发生器感生的热能的使用(进一步参见下文)不排除另外辐射源的使用，以例如通过向催化活性材料提供UV辐射、可见辐射和IR辐射中的一种或多种来(进一步)促进催化过程。
可以由催化活性材料包括的催化活性物质可以例如选择自本领域中已知的金属和金属氧化物。这样的催化活性材料可以可选地主要由这样的催化活性物质组成，但在一些其他实施例中可以例如包括含有这样的金属和/或金属氧化物的、诸如多孔材料(也见于下文)的支撑件。催化活性物质可以例如包括元素Pt、Pd、Rh、Ir、Rh、Ag、Au、Co、Mn、Fe、Cu、Ni、Ti、Zr、La、Cr、Nd、Mo、W、Sn、Zn、Cr、Ru、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Ho、Dy、Tm、Yb和Lu中的一种或多种。备选地或另外地，催化活性物质可以例如包括这样的元素中的两种或更多种元素的一种或多种合金。此外，备选地或另外地，催化活性物质可以例如包括这样的元素中的一种或多种元素的氧化物(诸如Fe2O3、MnO等)。在本文中，如“催化活性物质”或“氧化物”等的术语也可以分别指代不同催化活性物质的组合以及不同氧化物的组合(也包括混合氧化物)。适当的催化剂的示例可以包括例如MnOx(其中特别是x＝1-3.5)、CeO2、CoOx(其中特别是x＝1-1.33)、FeOx(其中特别是x＝1.33-1.5)、Ag等中的一种或多种。术语“MnOx”可以除其他外指代ΜnO2、MnO、Μn4+ (1-x)Μn2+ xO(2-x)(ΟΗ)2x(其中x等于约0.06到约0.07)和KMn4+ 6Mn2+ 2O16中的一种或多种。然而，如上文所指示的，还可以应用其他催化活性物质。
在本文中也被指示为“热生成材料”的可加热材料(另一功能材料)可以例如包括含有铁的材料(例如粉末、颗粒、纤维、线)和磁性材料(例如Fe2O3、Fe2MnO4、Fe2CoO4等)中的一种或多种。特别地，可加热材料可以是当经受交变电场和/或交变磁场时生成热的任何固体材料。可以用于加热的磁性材料是例如在磁热疗应用中也是已知的。短语“被配置为不与可加热材料电接触”特别地指示可加热材料的加热不是以常规方式通过在闭合电路中引导电力通过导电材料来完成的。在此，在本发明中，在场发生器与可加热材料之间可以不存在物理接触。另外，可加热材料可以可选地被配置为与任何电气电路处于电隔离。
适当的电场发生器的一个示例包括例如在操作中具有交变电流的感应线圈。原则上，交变电流的频率可以从20kHz调整到40kHz。电压可以被设计为例如在100V-240V范围中的正常电气应用。适当的磁场发生器的一个示例可以包括铜线圈(例如具有16mm的直径)，其在操作中产生在300kHz-1.1MHz频率范围中且具有高达例如27kA/m的振幅的交变磁场。磁场强度可以例如从5A/m调整到40kA/m，频率可以从60Hz调整到1.2MHz。
另外，还可以应用多孔材料(作为第三功能材料，其是可选的)。
因此，在一个实施例中，空气净化器(特别是催化转化器)可以进一步包括多孔材料，其中多孔材料可以特别地包括所述催化活性材料。在又一实施例中，多孔材料可以进一步包括所述可加热材料。多孔材料可以包括催化活性材料和可加热材料中的一种或多种的多孔形式。
然而，多孔材料也可以是具有孔隙率的另一材料，其中多孔材料可以可选地进一步包括所述催化活性材料和所述可加热材料中的一种或多种。多孔材料可以是宏观多孔、介观多孔或微观多孔中的一种或多种。特别地，可以应用诸如多孔氧化铝和/或多孔二氧化硅中的一种或多种的多孔材料。备选地或另外地，可以应用沸石。然而，还可以应用其他类型的具有孔隙率的例如Al-Si或Al-P系统。可以使用的沸石的非限制性示例可以选择自ZSM-5、Y型沸石、β沸石的组。备选地或另外地，可以应用丝光沸石。例如，可以应用诸如例如沸石、金属-有机骨架(MOF)、介观多孔二氧化硅、活性炭等的多孔吸附剂材料。术语“多孔材料”可以可选地还指代多种多孔材料。当多孔材料包括催化活性材料和可加热材料中的一种或多种时，这样的功能材料可以在多孔材料的孔内和/或在多孔材料的孔上。将功能材料引入到孔中的方法是本领域中已知的，并且包括例如初湿含浸法和交换方法中的一种或多种。
因此，例如铁质材料和磁性材料可以生成热并将热限制在低至甚至纳米级的空间之内，以及将热传递到TCO催化剂。多孔材料可以从空气(流)中捕获并聚集(有机)污染物气体(例如VOC)，这将增加与TCO催化剂的接触和反应时间。TCO催化剂可以在升高的温度处将(有机)污染化合物(例如VOC)分解成例如CO2和H2O。因此，在一个具体实施例中，催化活性材料被配置为消减挥发性有机化合物(VOC)。在又一实施例中，催化活性材料被配置为消减空气中的以下各项中的一种或多种：(i)挥发性有机化合物(VOC)，(ii)臭氧(O3)，(iii)NOx和(iv)颗粒状材料(诸如超细颗粒)。备选地或另外地，催化活性材料被配置为(诸如通过氧化成CO2)消减CO。铁质材料和磁性材料可以分别通过外部生成的交变感应场和磁场来生成热。铁质材料和磁性材料的大小和形状可以根据要求来调整。通过使用例如纳米大小的材料，加热空间可以被限制低至纳米级。热将直接被传递到每个所接触的TCO催化剂单元并高效地消耗。热将基本上不扩散到环境中，这是节能的并提高了安全性。多孔材料可以具有大的表面积(例如>300m2/g)和可调整的孔径大小(诸如例如0.3nm-50nm)，其可以捕获并聚集各种VOC(例如，直径：甲醛～0.45nm、苯～0.58nm、甲苯～0.6nm、二甲苯～0.63-0.69nm)。通过将多孔材料与TCO催化剂接触，所捕获的VOC分子将扩散到TCO催化剂的表面上，VOC分子将在某些温度处分解。另外，中间TCO产物可以由多孔/吸附材料重新吸附，并通过释放和分解的循环而完全分解。多孔材料和TCO催化剂的协同效应可以增加它们的寿命和延长它们的寿命。同样地，这可以应用到除TCO催化剂以外的催化剂。
如上文所指示的，更详细地阐述催化转化器的一些实施例。
在一个实施例中，空气净化器(特别是催化转化器)可以包括颗粒状材料，其中颗粒状材料包括催化活性材料和可加热材料的混合物。这种实施例可以包括不同的变体，诸如颗粒状材料具有不同的颗粒，其中颗粒的每个子集包括功能材料中的一种，因此至少具有颗粒状材料的两个子集(催化(颗粒状)材料和可加热(颗粒状)材料)。然而，实施例也可以具有以下的变体：其中功能材料中的两种或更多种已被组合并被处理成包括两种或更多种功能材料的杂化颗粒(并且因此具有两种或更多种功能)。因此，在一个实施例中，颗粒状材料包括至少含有催化活性材料和可加热材料的颗粒。在又一具体实施例中，颗粒状材料包括含有芯和壳的颗粒，其中芯包括所述可加热材料，壳包括所述催化活性材料。在又一实施例中，颗粒状材料进一步包括多孔材料。这种多孔材料可以作为单独的颗粒而被提供。然而，这种多孔材料也可以作为壳或层而被提供在可加热材料芯上。备选地或另外地，它可以作为壳或层而被提供在催化活性材料层或壳(或者可选地，芯)上。而在另一变体中，它可以作为壳或层而被提供在可加热材料芯上，其中催化活性材料由多孔材料(层或壳)包括。
因此，除上文所列举的、而不是穷尽的多个不同实施例是可能的。在可以与上文所描述的实施例组合的另外的一般实施例中，催化活性材料和可加热材料中的一种或多种独立地被配置为(i)颗粒状材料、(ii)层和(iii)线中的一种或多种，并且其中独立地，(i)颗粒状材料、(ii)层和(iii)线中的一种或多种具有至少一个50μm或更小的尺寸，例如在5nm到50μm的范围中，诸如10nm到40μm。短语“独立地被配置”指示催化活性材料或可加热材料或这两种材料如本文所进一步描述的那样被配置。另外，短语“被配置为……中的一种或多种”指示可以提供如下的催化转化器：其中例如催化活性材料可以作为颗粒和/或作为层而被提供。另外，关于一个或多个尺寸的条件可以仅与颗粒、或仅与层、或与颗粒和层两者有关。
因此，上文的实施例包括例如其上具有大(>50μm)或小(≤50μm)颗粒的、厚(>50μm)或薄(≤50μm)层的可加热材料，但是其中这些尺寸中的至少一个尺寸为50μm或更小。术语“尺寸”可以特别地与长度、宽度、高度和直径有关。例如，可以提供具有50μm高度的层。注意，本发明还可以包括有更小的尺寸。例如，可加热材料可以包括颗粒状的可加热材料，颗粒状的可加热材料具有在10μm或更小的范围中的颗粒尺寸，诸如1μm或更小，或甚至100nm或更小，即在纳米大小范畴中。同样地，这可以应用到(主要)包括催化活性材料的层或颗粒或线。术语“线”还可以包括纤维。
在另一具体实施例中，催化转化器包括层状结构，该层状结构至少包括含有所述催化活性材料的层及含有所述可加热材料的层。可选地，这些层中的一个或两个可以是多孔的。在又一实施例中，在这些功能层之间可能存在多孔层。一般而言，这样的中间层将是薄的(诸如<10μm，如<5μm，特别是<1μm，或甚至更小，诸如<0.1μm)，以便保持热接触。
当功能材料彼此物理接触时，对于良好的热接触是特别有益的。因此，在又一具体实施例中，可加热材料被配置为与所述催化活性材料物理接触。当可加热材料和催化活性材料不彼此物理接触时，特别地，这些材料之间的距离是小的(诸如<10μm，如<5μm，诸如<1μm，或甚至更小，诸如<0.1μm)，和/或可以存在布置在可加热材料与催化活性材料之间的导热材料。因此，以这些方式，在可加热材料与催化活性材料之间也存在热接触。
可以以不同的方式应用空气净化器。例如，它可以集成在已有通风系统或已有空调系统等中。因此，在这样的应用中，空气净化器不需要与空气净化器集成的气流发生器，因为在这样的实施例中可以使用外部气流发生器。然而，备选地或另外地，在一个实施例中，空气净化器可以进一步包括气流发生器，其被配置为促使空气与催化活性材料接触。气流发生器可以包括泵、风扇或如通过烟囱效应的其他方式等中的一种或多种。另外，“气流”和“气流发生器”特别地分别是空气流和空气流发生器。
在又一实施例中，空气净化器可以进一步包括控制单元以及特别地被配置为感测空气中的分子的传感器，其中控制单元被配置为根据传感器的传感器信号与所述分子的预先确定水平来控制场发生器。术语“分子”也可以与多种(不同的)分子有关。备选地或另外地，控制单元被配置为根据传感器的传感器信号与所述分子的预先确定水平来控制(可选的)气流发生器。另外，备选地或另外地，传感器可以被配置为测量温度、湿度、压力、(空间中)人的存在等中的一项或多项。此外，控制单元被配置为根据传感器的传感器信号来控制场发生器和可选的气流发生器中的一项或多项。术语“传感器”也可以可选地指代多个(不同的)传感器。同样地，这可以应用到术语“传感器信号”。以这种方式，取决于传感器信号，空气净化器可以例如以较低水平或较高水平操作。例如，当空间中有较多人时和/或在分子水平比期望水平高时，空气净化器可以以较高水平操作，即具有可氧化气体分子的较高消减。空气中要被感测的分子可以例如从由VOC、NOx、CO等组成的组中选择。备选地或另外地，空气净化器可以进一步包括特别地被配置为感测诸如超细颗粒之类的、空气中的颗粒的传感器。特别地，UFP被限定为纳米级大小、特别是直径小于100nm的(经空气传播的)颗粒状物质(或者在非球形颗粒情况下的等价直径，即当具有相同体积的颗粒是球形颗粒时将获得的直径)。
与空气净化器的位置或与空气净化方法的使用有关的术语“空间”可以例如涉及(部分)接待区域，诸如餐馆、酒店、诊所或医院等。术语“空间”还可以涉及(部分)办公室、百货商店、仓库、电影院、教堂、剧院、图书馆等。然而，术语“空间”还可以涉及交通工具中的(部分)工作空间，诸如卡车的舱室、飞机的机舱、船只(船)的舱室、汽车的舱、吊车的舱、如拖车的工程交通工具的舱等。术语“空间”还可以涉及(部分)工作空气，诸如办公室、(生产)工厂、发电厂(如核电厂、燃气发电厂、煤电厂等)等。例如，术语“空间”还可以涉及控制室、安全室等。
空气净化器可以被配置为设备，特别是集成设备。然而，空气净化器也可以被配置为系统或由系统包括，诸如功能地连接到彼此的分离项的组合。例如，系统可以包括特别是(集成)空气净化器设备的空气净化器，气流发生器，传感器及控制单元(被配置为特别是根据传感器的传感器信号来控制空气净化器设备及气流发生器)。
因此，如上文所指示的，在又一方面中本发明还提供了催化转化器本身。
在又一方面中，本发明还提供了用于消减空气中的可转化化合物的方法，该方法包括使用如本文所限定的空气净化器，在接触阶段使所述空气与催化活性材料接触，同时在接触阶段之前和/或在至少部分接触阶段期间使可加热材料至少暂时地经受交变电场和交变磁场。如上文所指示的，接触可以通过集成在设备中的气流发生器和/或完全在设备外部的气流发生器来促进。另外，催化活性材料(经由可加热材料)的加热可以在接触阶段期间完成，或者可以在接触阶段之前完成。一般而言，在设备应当转化(消减)不期望物质的整个时段期间，交变场被施加到可加热材料。在接触阶段期间，不期望物质可以通过处于升高的温度的催化活性材料得以消减(例如被氧化和/或被分解)。特别地，交变场/场发生器用于将催化活性材料加热到从30℃-600℃范围所选择的温度，诸如50℃-500℃。
在本文中，诸如在“基本上由……组成”中的术语“基本上”将由本领域的技术人员理解。术语“基本上”也可以包括具有“全部”、“完全”、“所有”等的实施例。因此，在实施例中形容词基本上也可以去除。在适用的情况下，术语“基本上”也可以与90％或更高，诸如95％或更高，特别是99％或更高，甚至更特别地99.5％或更高，包括100％有关。术语“包括”也包括其中术语“包括”意味着“由……组成”的实施例。术语“和/或”特别地与在“和/或”之前和之后提到的项中的一项或多项有关。例如，短语“项1和/或项2”及类似短语可以与项1和项2中的一项或多项有关。术语“含有”在一个实施例中可以与“由……组成”有关，而在另一实施例中还可以与“至少包含所限定的物质且可选地包含一种或多种其他物质”有关。
此外，说明书及权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分类似的要素，而不一定用于描述相继次序或时间顺序。应当理解，如此使用的术语在合适的情况下是可互换的，并且本文所描述的、本发明的实施例能够以除本文所描述或说明的次序之外的其他次序操作。
本文中的设备除其他外在操作期间被描述。如本领域的技术人员将清楚的，本发明不限于操作方法或操作中的设备。
应当注意，上文所提到的实施例对本发明进行了说明而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够设计许多替换实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，括号之间的任何符号不应当被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变化形式的使用不排除除权利要求中所声明的那些元素或步骤以外的元素或步骤的存在。元素之前的不定冠词“一”不排除多个这样的元素的存在。本发明可以借助于包括若干独特元件的硬件，以及借助于适当编程的计算机来实施。在枚举了若干器件的设备权利要求中，这些器件中的数个可以由硬件的同一项来体现。在互相不同的从属权利要求中记载的某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不可以有利地使用。
本发明进一步适用于包括说明书中所描述的和/或附图中所示的特征中的一个或多个的设备。本发明进一步涉及包括说明书中所描述的和/或附图中所示的特征中的一个或多个的方法或工艺。
本专利中所讨论的各种方面可以组合，以便提供附加优点。此外，特征中的一些可以形成一个或多个分案申请的基础。
附图说明
现在仅通过示例的方式，参考随附的示意图来描述本发明的实施例，在附图中对应的参考符号指示对应的部分，且其中：
图1a-图1b示意性地描绘了空气净化器的一些方面；
图2a-图2g示意性地描绘了催化转化器的一些方面；
图3示意性地描绘了空气净化器的一个实施例；
图4示出了(a)磁性氧化铁纳米颗粒(～110nm)、(b)MnO2纳米颗粒(～20nm-30nm)、(c)EMT-沸石纳米颗粒(～15nm)的TEM图像；
图5示出了(a)磁性氧化铁纳米颗粒(22nm)、(b)MnO2纳米颗粒(～25nm)、(c)MnO2纳米管(直径：100nm，壁厚：30nm，长度：几微米)、(d)EMT-沸石纳米颗粒(～15nm)的TEM和SEM图像；
图6示出了(a)多孔MnOx分子筛(K-OMS-2)、(b)磁性氧化铁纳米颗粒(～110nm)的TEM图像；以及
图7示出了(a)多孔磁性氧化铁纳米颗粒(>100nm)、(b)MnO2纳米颗粒(～25nm)的TEM图像。
示意图不一定按比例。
具体实施方式
图1a-图1b示意性地描绘了包括催化转化器100的空气净化器1的实施例。催化转化器100包括催化活性材料120及与所述催化活性材料120热接触的可加热材料130。另外，可加热材料130是由通过参考标记141所指示的、交变电场和交变磁场中的一项或多项可加热的。空气净化器1进一步包括场发生器140，其特别地被配置为不与可加热材料130电接触，但至少被配置为在空气净化器1的操作期间通过交变电场和交变磁场141中的一项或两项来加热可加热材料130。参考标记F指示气流(即，特别是空气流)。
参考标记300指示气流发生器(被配置为生成气流F)，以及参考标记400和500分别指示传感器和控制单元。这些可以被集成在空气净化器中或者可以被配置为与空气净化器分离。空气净化器1以及传感器400和控制单元500特别地功能地耦合到彼此(例如，在一个集成设备中或作为系统)。图1a中的短划线可以指示壳体，其可以包括场发生器并且其可以至少部分地围住催化转化器100。
图1b示意性地描绘了具有被包括在空气净化器1中的气流发生器300的一个变体。为此，空气净化器1可以包括围住气流发生器300以及催化转化器100和场发生器140的腔室。
在本发明中，我们提出了一系列除其他外的用于空气净化的新的多功能TCO。在新材料中，通过材料工程实现了新颖的局部加热。材料结构设计可以除其他外基于材料功能、大小及形状。图2a-图2g示意性地图示了催化转化器的数个可能结构，而不是穷尽的，其中参考标记120指示催化材料，参考标记130指示可加热材料，及参考标记200指示多孔材料，并且其中参考标记d1、d2和d3分别指示这些功能材料的尺寸，特别地在这些示例中指示它们的厚度。参考标记11指示颗粒并且参考标记10指示颗粒状材料(包括这些颗粒11)。
在图2a中，示出了随机混合结构。上述三种功能材料可以混合，并且可选地，这些材料可以其后粒化成期望的大小和形状。因此，功能材料可以作为颗粒状材料而混合，并如此使用，或者可以进一步粒化，以提供复合颗粒。在图2a中，通过使用商业产品，作为加热生成材料的铁粉(图4a)(或磁性氧化铁粉末)、作为多孔材料的沸石粉末(图4c)、作为TCO材料的MnOx粉末(图4b)，并将它们与稳定的结合剂(例如膨润土)混合在一起并粒化成期望的颗粒，然后以高温(例如200℃-500℃)煅烧粒化的颗粒，以激活多孔材料和TCO催化剂。
参见例如图2b，也可以提供芯/壳结构，其中芯通过参考标记12指示并且壳通过参考标记13指示。例如，通过将加热生成材料用作芯、将TCO催化剂用作中间壳以及将多孔材料用作外壳。芯的大小和壳的厚度可以通过纳米精度以及甚至通过原子尺度的精确度来控制(图2b)。
还可以提供异质结构，诸如，具有例如作为中间层的TCO催化剂以及作为外层的加热生成材料和多孔材料的夹层结构。每层的厚度可以通过纳米精度以及甚至通过原子尺度的精确度来控制。图2c和图2d中示意性地描绘了两个变体，其中参考标记15指示层。
还可以例如通过将多孔MnOx用作多孔材料和TCO材料两者并且然后将其与磁性材料组合(图2e)，或者通过将多孔FeOx用作多孔材料和磁性材料两者并且然后将其与TCO材料组合(图2f)，来提供混合物、合金或异质结构。
在一些上文的实施例中，还包括多孔材料200。如上文所提到的，这种功能材料是可选的。
图2g示意性地描绘了具有可加热材料130的层15以及在层15上的线160和颗粒11的催化转化器100的一个实施例，线160和颗粒11包括催化活性材料120。
图3示意性地描绘了催化转化器100的一个实施例，包括催化转化器100的一部分的放大图。其中的催化转化器100包括含有可加热材料130的线网。催化活性材料120可以作为颗粒11而被施加在线网的线16上。备选地或另外地，颗粒11包括可加热材料130(也见于上文)。当可加热材料包括磁性材料时，磁力还可以用于使颗粒附着于铁或其他的磁性支撑件，诸如此处的线16。
图4示出了(a)磁性氧化铁纳米颗粒(～110nm)、(b)MnO2纳米颗粒(～20nm-30nm)、(c)EMT-沸石纳米颗粒(～15nm)的TEM图像。
图5示出了(a)磁性氧化铁纳米颗粒(22nm)、(b)MnO2纳米颗粒(～25nm)、(c)MnO2纳米管(直径：100nm，壁厚：30nm，长度：几微米)、(d)EMT-沸石纳米颗粒(～15nm)的TEM和SEM图像。异质结构设计更灵活，且合成方法与芯/壳结构类似。例如，夹层结构(图2c)，相似大小的磁性氧化铁纳米颗粒(图5a)和多孔沸石材料(图5d)可以在MnO2纳米颗粒(图5b)的相反晶体面上外延生长。通过使用较大大小的MnO2纳米管(图5c)，较小大小的磁性氧化铁纳米颗粒(图5a)和多孔沸石材料(图5d)可以被加载在纳米管表面或填充到纳米管中。
图6示出了(a)多孔MnOx分子筛(K-OMS-2)、(b)磁性氧化铁纳米颗粒(～110nm)的TEM图像。在图2e中，例如，通过将多孔MnOx分子筛(K-OMS-2)(图6a)用作多孔材料和TCO材料两者，然后将其与磁性氧化铁纳米颗粒(图6b)组合。
图7示出了(a)多孔磁性氧化铁纳米颗粒(>100nm)、(b)MnO2纳米颗粒(～25nm)的TEM和SEM图像。在图2f中，例如，通过将多孔磁性Fe2O3(图7a)用作多孔材料和磁性材料两者，然后将其与MnO2(图7b)TCO材料组合。
因此，在本文中，我们提出了除其他外的用于空气净化的新型多功能TCO材料。多功能TCO材料是至少两种类型的以下功能材料的组合和集成：热生成材料，诸如TCO催化剂之类的催化剂以及可选地，多孔材料。热生成材料可以生成热并将热限制在低至纳米级的空间之内。热将直接被传递到几乎接触的TCO催化剂单元，并高效地消耗。热可以基本上不扩散到环境中，这是节能和安全的。多孔材料可以捕获并聚集来自气流的有机污染物气体(例如VOC)，这将增加与TCO催化剂的接触和反应时间。材料结构设计是灵活的，诸如随机混合结构、芯/壳结构、异质结构及合金结构，这可以基于材料功能、大小和形状。部分结构可以与磁性材料组合，因此它们可以自动地且鲁棒地吸附在铁质基底(例如铁网)上，这可以显著地简化涂覆过程。
以上，描述了关于TCO催化剂的许多实施例。然而，如上文所指示的，在其他实施例中同样可以应用其他催化剂。
Claims (11)
1.一种空气净化器(1)，包括：
催化转化器(100)，其中所述催化转化器(100)包括多功能材料，所述多功能材料是至少以下项的组合：
催化活性材料(120)；以及
可加热材料(130)，包括含有铁的材料和/或磁性材料，其中所述可加热材料(130)是通过交变电场和交变磁场中的一项或多项可加热的；
场发生器(140)，所述场发生器(140)被配置为不与所述多功能材料电接触并被配置为在所述空气净化器(1)的操作期间通过所述交变电场和所述交变磁场中的一项或多项来加热所述可加热材料(130)，其中所述催化活性材料(120)和所述可加热材料(130)均独立地被配置为分别具有至少一个50μm或更小尺寸的(i)颗粒状材料(10)、(ii)层(15)和(iii)线(16)中的一种或多种；以及
气流发生器(300)，被配置为使空气与所述催化活性材料(120)接触；
多孔材料(200)，包括所述催化活性材料(120)和所述可加热材料(130)的一种或多种的多孔形式或具有孔隙率的其他材料。
2.根据权利要求1所述的空气净化器(1)，其中独立地，(i)所述颗粒状材料(10)、(ii)所述层(15)和(iii)所述线(16)中的所述一种或多种具有至少一个10μm或更小的尺寸。
3.根据权利要求2所述的空气净化器(1)，其中独立地，(i)所述颗粒状材料(10)、(ii)所述层(15)和(iii)所述线(16)中的所述一种或多种具有至少一个100nm或更小的尺寸。
4.根据权利要求1所述的空气净化器(1)，其中所述催化活性材料(120)被配置为消减空气中的(i)挥发性有机化合物(VOC)、(ii)臭氧(O3)、(iii)NOx及(iv)颗粒状材料中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的空气净化器(1)，其中所述多功能材料包括颗粒状材料混合物(10)，所述颗粒状材料混合物(10)包括至少含有所述催化活性材料(120)和所述可加热材料(130)的的颗粒。
6.根据权利要求5所述的空气净化器(1)，其中所述颗粒状材料包括颗粒(11)，所述颗粒(11)包括含有所述可加热材料(130)的芯(12)及含有所述催化活性材料(120)的壳(13)。
7.根据权利要求5至6中的任一项所述的空气净化器(1)，其中所述颗粒状材料(200)进一步包括多孔材料(200)。
8.根据权利要求1所述的空气净化器(1)，其中所述催化转化器(100)包括层状结构(150)，所述层状结构(150)至少包括含有所述催化活性材料(120)的层和含有所述可加热材料(130)的层。
9.根据权利要求1所述的空气净化器(1)，其中所述可加热材料(130)被配置为与所述催化活性材料(120)物理接触。
10.根据权利要求1所述的空气净化器(1)，进一步包括控制单元(500)及被配置为感测空气中的分子的传感器(400)，其中所述控制单元被配置为根据所述传感器(400)的传感器信号和所述分子的预先确定水平来控制所述场发生器(140)。
11.一种用于消减空气中的可转化化合物的方法，所述方法包括：使用根据权利要求1所述的空气净化器(1)，在接触阶段将所述空气与所述催化活性材料(120)接触，同时在所述接触阶段之前和/或在至少部分所述接触阶段期间使所述可加热材料(130)至少暂时地经受交变电场和交变磁场中的一项或多项。
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