CN108212156A - 光催化剂片、空气净化器以及光催化剂片的制造方法 - Google Patents

光催化剂片、空气净化器以及光催化剂片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光催化剂片，使作为光催化剂的锐钛矿型氧化钛被牢固担载从而防止被剥离，进一步地增加与光催化剂接触的机会，显著提高基于光催化剂的净化处理效果，同时降低制造成本。该光催化剂片，其特征是，在前面和后面形成非周期性图案，形成贯穿内外的微细流路(2)的具有非周期性海绵结构的由除钛之外的金属构成的金属基板(例如不锈钢基板(1))上涂覆钛(11)，该钛(11)的表面形成氧化钛薄膜(3)，在该氧化钛薄膜(3)上担载锐钛矿型氧化钛颗粒(4)。

Description

光催化剂片、空气净化器以及光催化剂片的制造方法
技术领域
本发明涉及光催化剂片、空气净化器以及光催化剂片的制造方法。
背景技术
作为光催化剂已知有锐钛矿型氧化钛，通过照射紫外线产生如羟基自由基(·OH)等活性物质和空穴，从而分解有机物，由此得到除臭效果和杀菌效果，应用于空气净化器等。
图7是现有技术中利用光催化剂的流体净化装置(参照专利文献1)。
流体净化装置31以围绕壳体32内部所包含的激励光源33的周围的方式配置有光催化剂结构体34。该光催化剂结构体34经由间隔件(未图示)按照指定间隔同心配置有不同直径的圆筒催化剂35，各圆筒催化剂35担载催化剂并形成在金属网的整个表面。
如此，通过使用将圆筒催化剂35配置为同心形状的具有三层结构的光催化剂结构体34，增加了光催化剂结构体34的有效表面积，且通过的流体中产生紊流。因此与流体中的臭气物质的接触比例增加，能够短时间内有效地氧化分解臭气物质。
但是，欲将作为光催化剂的锐钛矿型氧化钛涂布在一般的金属网或金属网体时，氧化钛的结合强度弱，在作为载体的金属表面形成的氧化钛膜容易剥离。因此存在产品寿命短，不能有效分解有害臭气成分的问题。
尤其是为了增加表面积，圆筒催化剂35使用以细线细致编织的金属网，但是由这种金属网形成的圆筒催化剂35的机械强度低，只要用手轻轻一握，就容易出现凹陷。因此不仅组装困难，且组装到光催化剂结构体34后也难以操作。并且握住其外周面而表面出现翘曲，则氧化钛膜在大范围内容易剥落。
对于上述问题，专利文献2中公开了一种光催化剂片，在具有从单面或双面通过非周期性图案实施蚀刻处理形成贯通正反的多个微细流路的非周期性海绵结构的钛箔表面中，通过阳极氧化薄膜形成氧化钛基体，对该氧化钛基体烧结锐钛矿型氧化钛颗粒。
如此，牢固担载作为光催化剂的锐钛矿型氧化钛的同时防止剥离，进一步增加接触光催化剂的机会，并能够显著提高基于光催化剂的净化处理效率。
但是，专利文献2中，由于对钛箔实施蚀刻处理，存在增加制造成本的问题，因此需要进一步降低成本。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开平11-276558号公报
专利文献2：专利第5474612号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种光催化剂片，该光催化剂片牢固担载作为光催化剂的锐钛矿型氧化钛而防止剥离，进一步增加与光催化剂接触的机会，显著提高光催化剂的净化处理效率，同时降低制造成本。
为了实现上述技术课题，本发明的光催化剂片的特征是：前面和后面形成不同的非周期性图案，在具有贯通内外形成微细流路的非周期性海绵结构的不锈钢基板上包覆钛，在该钛的表面形成氧化钛薄膜，在该氧化钛薄膜上担载锐钛矿型氧化钛颗粒。
发明效果
根据本发明，能够提供一种光催化剂片，该光催化剂片牢固担载作为光催化剂的锐钛矿型氧化钛从而防止剥离，进一步增加与光催化剂接触的机会，显著提高光催化剂的净化处理效率，同时降低制造成本。
附图说明
图1是示出本发明的光催化剂片的一例的说明图；
图2是示出本发明的光催化剂片的一例中制造方法的概要说明图；
图3是示出实验结果的曲线图；
图4是示出使用本发明的光催化剂片的空气净化器的一例的说明图；
图5是示出本发明的其他实施例的说明图；
图6是示出使用本发明的光催化剂片的空气净化器的其他例的说明图；
图7是示出现有技术中流体净化装置的说明图。
附图标记
S1、S2 光催化剂片
U1、U2 光催化剂单元
1 不锈钢基板
2 微细流路
3 氧化钛薄膜
4 锐钛矿型氧化钛颗粒
5 光催化剂层
6 光致抗蚀剂
7 掩蔽膜
8 裂纹
9 紫外线光源
10 处理室
11 钛
31 流体净化装置
32 壳体
33 激励光源
34 光催化剂结构体
35 圆筒催化剂
具体实施方式
下面，将参照附图对本发明的光催化剂片、空气净化器以及光催化剂片的制造方法进行说明。需要说明的是，本发明不局限于下述实施例，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的作用和效果之内，所作的其他实施例、增加、修改、删除等可想到的范围内进行的更改，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明的光催化剂片的特征是：在前面和后面形成不同的非周期性图案，在具有贯通内外形成微细流路的非周期性海绵结构的由除钛之外的金属构成的金属基板上包覆钛，在该钛的表面形成氧化钛薄膜，在该氧化钛薄膜上担载锐钛矿型氧化钛颗粒。
此外，本发明的光催化剂片的制造方法的特征是：从由钛之外的金属构成的金属基板的单面或双面实施蚀刻处理，在前面和后面形成不同的非周期性图案，制成贯通内外形成微细流路的非周期性海绵结构，在具有该非周期性海绵结构的金属基板上包覆钛，制成钛包覆金属基板，在该钛包覆金属基板上实施阳极氧化处理和加热处理，在表面形成氧化钛薄膜，在该氧化钛薄膜上担载锐钛矿型氧化钛颗粒。
所述金属基板只要是除钛之外的金属即可，可以适当变更。可列举如不锈钢、铁、镍、铝等。
没有特别限制金属基板的厚度，可以适当变更，但优选0.15～0.35mm。
下述实施例中作为金属基板使用了不锈钢基板。下面以不锈钢基板为例进行了说明，但并不限于此。此外，“钛包覆不锈钢基板”表示钛包覆金属基板的一个例子。
实施例1
图1所示的光催化剂片S1的前面和后面形成不同的非周期性图案，在具体贯通内外形成微细流路2的非周期性海绵结构的不锈钢基板1上包覆钛11，其表面形成氧化钛薄膜3，在氧化钛薄膜3上担载锐钛矿型氧化钛颗粒4。需要说明的是，不区分前面和后面。
图2是示出该光催化剂片S1的制造方法的说明图。
首先，进行不锈钢基板1形成微细流路2的蚀刻处理。需要说明的是，在进行蚀刻处理之前优选清洗不锈钢基板1。
本实施例中，不锈钢基板的厚度为0.2mm。
对于蚀刻处理进行以下工序。
进行涂布工序，在不锈钢基板1的正反双面上涂布光致抗蚀剂6(图2a)。进行曝光工序，在光致抗蚀剂6上叠加形成非周期性图案的掩蔽膜7进行曝光(图2b)。进行清洗工序，曝光后清洗光致抗蚀剂6中未感光的部分，将经感光的部分留在不锈钢基板1(图2c)。
接下来，进行浸渍工序，将使用光致抗蚀剂6掩盖非周期编织图案的不锈钢基板1浸渍于蚀刻液中，从正反双面侵蚀至不锈钢基板1的二分之一厚度，从而形成贯通内外的微细流路2(图2d)。
若如此进行不锈钢基板1的蚀刻工序，则由于该掩模图案没有周期性，因此不锈钢基板1的正面侧和反面侧形成图案不同的孔。其结果如图1所示，不锈钢基板1的厚度方向形成复杂的迷宫状的微细流路2，相比简单的丝网或冲孔金属显著增加了比表面积，像天然存在的海绵结构一样，能够显著增加比表面积。
需要说明的是，本实施例中光催化剂片S1的孔隙率(蚀刻处理后的重量/蚀刻处理前的重量)为约20％。
此外，如图2e所示，放大观察该表面时，在这一时间点呈现大致平坦的状态。
接下来，在上述不锈钢基板1上包覆钛，作为钛包覆不锈钢基板(图2f)。
可以适当变更包覆钛的方法，但是优选通过真空沉积或溅射进行。本实施例中通过真空沉积进行。
这样一来，不锈钢基板1的表面上包覆钛11。需要说明的是，微细流路2的内壁面上也包覆有钛。
此时，可适当变更包覆的钛的厚度，但是优选0.5～2.0μm，更优选0.8～1.5μm。若在此范围内，则抑制不锈钢基板的铬影响，能够提高除臭性能。此外，通过抑制钛的使用量有利于控制成本。包覆的钛的厚度为1.5μm，则得到作为材料使用钛箔时同等的性能。
本实施例中包覆的钛的厚度为0.8μm。
接下来，进行阳极氧化处理，在其表面上形成氧化钛薄膜3。
阳极氧化处理是在磷酸浴(例如3％的磷酸水溶液)中在作为阳极的钛11与阴极之间施加预定电压，其结果如图2g所示，钛11的表面形成被氧化的阳极氧化薄膜。
此时，氧化薄膜不仅形成在钛包覆不锈钢基板的正反两面，还形成在微细流路2的内壁面等暴露在磷酸浴中的所有表面。
然后，对于钛包覆不锈钢基板进行加热处理。加热是在如大气中以450～550℃加热2～3小时。通过实施加热处理形成阳极氧化薄膜被加热的氧化钛薄膜3。
放大观察其表面，则在经蚀刻处理的时间点在平坦的表面中出现了阳极氧化处理和加热处理导致的裂纹8。
需要说明的是，对钛进行阳极氧化处理时，根据该氧化薄膜的厚度，因光衍射显出不同的颜色，已知厚度约70nm时呈现为紫色，约150nm时呈现为绿色，约200nm时呈现为粉色。本实施例中形成厚度为70～150nm的薄膜。
进而，进行担载锐钛矿型氧化钛颗粒4的烧结处理。
将表面形成氧化薄膜3的不锈钢基板1浸渍在分散有锐钛矿型氧化钛颗粒4的浆料中，然后在400～450℃中进行烧结，如图2h所示，在不锈钢基板1的正反两面以及微细流路2的内壁面形成光催化剂层5。
氧化钛薄膜3和光催化剂层5由于变成通过氧化钛之间进行结合，因此其结合性非常强，其结果是光催化剂层5难以剥离。
此时，担载锐钛矿型氧化钛颗粒4后，优选根据需要进行喷射风的工序。从而可以去除附着于表面的易剥离的氧化钛颗粒。
本实施例中，通过蚀刻处理形成微细流路2，因此表面呈现复杂的凹凸形状，且由阳极氧化薄膜构成的氧化钛薄膜3产生微米级的细微的裂纹8。因此其上面不仅紧密结合光催化剂层5，还增加表面积，显著提高了处理效率。此外，当用UV光照射时，光催化剂层5的表面和氧化钛薄膜3的界面发生漫反射/光散射，能够有效利用UV光。
进一步地，通过采用不锈钢基板上包覆钛的方式，能够低成本形成光催化剂片本身，因此能够增加设计的自由度，且耐热性、抗药物性也优异，因此在苛刻的使用条件下也能够使用。
进一步地，光催化剂片1形成为片状，因此通过配置光源可以进行双面照射，还可以进行多层化，这种情况下可期待进一步提高光催化效果。
接下来，对本实施例得到的光催化剂片进行以下评价。评价是在容积1m3的密闭空间内放置下述的如图4所示的空气净化器，向该空气净化器吹送风速5.5m/s的风，同时随时间经过测量该密闭空间内预设浓度的乙醛的浓度变化。此外，空气净化器中放置双重卷绕A5大小的光催化剂片S1的光催化剂单元U1，在中心配置波长254nm的紫外线光源9，配置为暴露于流过处理室10内的空气流。
结果如图3所示。
图3的(A)中示出了使用本实施例得到的光催化剂片(钛厚度：0.8μm)的结果。图3(B)的曲线图是代替不锈钢基板1使用钛基板制造光催化剂片时的评价结果。即，蚀刻钛基板制成非周期性海绵结构，进行阳极氧化处理，担载锐钛矿型氧化钛颗粒的结果(参照专利文献2)。此外，图3(C)的曲线图是蚀刻钛基板制成非周期性海绵结构，不进行钛的包覆，而担载锐钛矿型氧化钛颗粒的结果。
如图3(A)的曲线图所示可知，根据本实施例得到的光催化剂片，随着时间的推移，乙醛气体的浓度(ppm)下降，得到良好的除臭性能。另一方面，如图3(C)的曲线图所示可知，没有包覆钛时，乙醛气体的浓度(ppm)下降非常少，除臭性能不好。之所以这样是认为使用未包覆钛的不锈钢基板时，因铬的影响而降低除臭性能，但是使用包覆钛的不锈钢基板时，因铬的影响小，因此除臭性能良好。
此外，比较图3(A)与图3(B)可知，本实施例中得到的光催化剂片对使用钛基板的光催化剂片显示约80％的除臭性能，显示与使用钛基板的光催化剂片相似的除臭性能。
实施例2
接下来，对具有本发明的光催化剂片的空气净化器的例子进行说明。如图4所示，将实施例1中制造的光催化剂片S1卷绕成圆筒形，其中心配置紫外线光源9成为光催化剂单元U1，将其配置为暴露在经过空气净化器的处理室10内的空气流中进行使用。
这样，本发明的光催化剂片能够形成为柔性片状，根据空气净化器的规格可以弯曲或卷绕成任何形状。
实施例3
接下来，实施例1中，除了使包覆不锈钢基板1的钛厚度为1.5μm之外，与实施例1相同的方式制作了光催化剂片。对于得到的光催化剂片进行了与实施例1相同的评价。结果，本实施例中得到的光催化剂片的结果与图3(B)的曲线图所示的结果几乎相同。即，得到与使用钛基板的光催化剂片相同程度的除臭性能。
实施例4
如图5所示，本实施例的光催化剂片S2形成为沿一个方向曲折形成连续起伏的波纹板状。该光催化剂片S2也如实施例1的光催化剂片S1一样，在具有从单面或双面通过非周期性图案实施蚀刻处理进而贯通内外形成多个微细流路2的非周期性海绵结构的不锈钢基板1上包覆钛。之后进行阳极氧化处理和加热处理，在表面通过阳极氧化薄膜形成氧化钛薄膜3，该氧化钛薄膜3上担载锐钛矿型氧化钛颗粒4形成光催化剂层。
并且，本实施例中，将光催化剂片S2形成为波纹板状，因此进行阳极氧化处理后，进行加热处理前，通过冲压加工进行形成波纹板状的成型处理，沿不锈钢基板1的长度方向弯曲形成连续的起伏。
该成型工序可以在蚀刻处理后且担载锐钛矿型氧化钛颗粒4的处理前进行，例如，可以在蚀刻处理后、阳极氧化处理前进行冲压加工。
并且，如图6中空气净化器的其他例子所示，将这种方式制造的光催化剂片S2卷绕成圆筒形，其中心配置紫外线光源9成为光催化剂单元U2，将其配置为暴露在经过空气净化器的处理室10内的空气流进行使用。
对于本实施例中得到的光催化剂片，进行与实施例1相同的除臭性能评价，得到如实施例1一样的良好结果。
工业实用性
本发明可应用于净化医疗设施、工厂、住宅、办公室等空气的空气净化器，以及净化水的净水器、搭载空气净化功能的防蚊装置。

Claims (8)

1.一种光催化剂片，其特征在于，
在前面和后面形成不同的非周期性图案，在具有贯通内外形成微细流路的非周期性海绵结构的由除钛之外的金属构成的金属基板上包覆钛，在该钛的表面形成氧化钛薄膜，在该氧化钛薄膜上担载锐钛矿型氧化钛颗粒。
2.根据权利要求1所述的光催化剂片，其特征在于，所述金属基板由选自不锈钢、铁、镍和铝的金属构成。
3.根据权利要求1或2所述的光催化剂片，其特征在于，沿所述金属基板的一个方向弯曲形成连续的起伏。
4.一种空气净化器，其特征在于，所述空气净化器具有权利要求1至3中任一项所述的光催化剂片。
5.一种光催化剂片的制造方法，其特征在于，
从由钛之外的金属构成的金属基板的单面或双面实施蚀刻处理，在前面和后面形成不同的非周期性图案，制成贯通内外形成微细流路的非周期性海绵结构；
在具有该非周期性海绵结构的金属基板上包覆钛，制成钛包覆金属基板；
该钛包覆金属基板上实施阳极氧化处理和加热处理，在表面形成氧化钛薄膜；
在该氧化钛薄膜上担载锐钛矿型氧化钛颗粒。
6.根据权利要求5所述的光催化剂片的制造方法，其特征在于，对于具有所述非周期性海绵结构的金属基板，以0.5～2.0μm的厚度包覆钛，制成所述钛包覆金属基板。
7.根据权利要求5或6所述的光催化剂片的制造方法，其特征在于，通过真空沉积或溅射，在所述金属基板上包覆钛。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的光催化剂片的制造方法，其特征在于，在担载所述锐钛矿型氧化钛颗粒后，喷射风。
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