CN108787392A - 一种光触媒膜、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及光触媒领域，具体讲，涉及一种光触媒膜、其制备方法及应用。光触媒膜设置于基材上，光触媒膜包括多孔材料层和二氧化钛光触媒层，二氧化钛光触媒层设置于多孔材料表层内部和/或多孔材料的表面。本申请中将多孔材料层和二氧化钛光触媒层分别设置，从而可以减少多孔材料对二氧化钛光触媒的毒性，提高二氧化钛光触媒的光催化效果。多孔材料层可作为体系中的吸附介质，将待分解气体分子汇集到多孔材料的空隙中，从而使多孔材料中的二氧化钛光触媒进行光催化反应，从而大大提高了光化学反应的效率。
Description
技术领域
本申请涉及光触媒领域，具体讲，涉及一种光触媒膜、其制备方法及应用。
背景技术
目前对食物保鲜主要使用冷藏的办法，工业用的有冷藏车和冷库，家庭用的主要是冰箱、冰柜；这些保鲜装备如果长时间使用的话，冷藏产品会对装备产生污染，尤其是家庭里的冰箱，可能会冷藏一些剩饭、剩菜而产生令人不愉快的异味；对水果类的食物在保鲜过程中由于其本身释放催熟剂乙烯利，时间稍长也会因过熟而产生变质。
为了减轻冷藏装备被冷藏食物的污染而产生的异味，人们在产品中装备臭氧发生器，即通过高压放电使氧气转化为具有杀菌作用的臭氧，达到延缓异味产生的目的；但这种方法有如下的缺陷：一是臭氧并不能彻底消除异味；二是臭氧浓度较大时其本身有臭味，同时损害人体健康；三是臭氧也会氧化被保鲜的食物从而影响其新鲜程度；四是使产品的造价升高。
鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本申请的首要发明目的在于提出一种光触媒膜。
本申请的第二发明目的在于提出该光触媒的制备方法。
本申请的第三发明目的在于提出一种包括该该光触媒的照明设备。
本申请的第四发明目的在于提出该照明设备的应用。
为了完成本申请的目的，采用的技术方案为：
本申请涉及一种光触媒膜，所述光触媒膜设置于基材上，所述光触媒膜包括多孔材料层和二氧化钛光触媒层，所述二氧化钛光触媒层设置于所述多孔材料表层内部和/或所述多孔材料的表面。
优选的，所述光触媒膜包括多孔材料层和位于所述多孔材料内部的光触媒渗透层；
或，所述光触媒膜包括位于所述多孔材料内部的光触媒渗透层；
所述光触媒渗透层通过二氧化钛光触媒材料分布于所述多孔材料层内的空隙中形成；
优选的，所述多孔材料表面还设置有光触媒表面层。
优选的，所述多孔材料层的原料选自介孔材料或大孔材料，并优选介孔材料，所述介孔材料优选硅藻土介孔材料、磷灰石介孔材料。
优选的，所述多孔材料层的厚度为200～250μm。
优选的，所述二氧化钛光触媒层的厚度为200～400μm，优选250～350μm。
优选的，所述光触媒膜为可见光触发型二氧化钛光触媒，选自硫化镉掺杂的二氧化钛、三氧化钨掺杂的二氧化钛、氮取代型氧化钛、缺氧型二氧化钛、贵金属修饰型二氧化钛；优选氮取代型氧化钛、缺氧型二氧化钛。
优选的，所述基材为透明材料，优选玻璃或者树脂，所述树脂优选PC、PMMA、PS。
本申请还涉及该光触媒膜的制备方法，至少包括以下步骤：
(1)对所述基材表面进行预处理，
(2)在所述基材表面制备所述多孔材料层；
(3)将二氧化钛光触媒负载于所述多孔材料层上，即得所述光触媒膜。
优选的，所述预处理为采用低温等离子处理，优选的，处理时间为4～10min，更优选5～6min。
优选的，将多孔材料配制成水乳液，喷涂于所述基材表面，所述多孔材料的粒径优选为40～100nm，更优选50～70nm；所述水乳液的质量百分比浓度为2～15wt％，优选5～10％。
优选的，将光触媒材料配置成乳液，采用喷涂法或提拉法在所述多孔材料层上进行负载，所述光触媒材料的粒径优选为10～30nm，更优选10～15nm；所述乳液的质量百分比浓度为1～10％。
本申请还涉及一种照明设备，所述照明设备上具有被本申请的光触媒膜覆盖的部位。
本申请还涉及该照明设备在冷藏设备中的应用。
本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：
本申请的光触媒膜同时具有吸附作用和光催化作用，从而可达到杀菌、除味和保鲜的作用。本申请中将多孔材料层和二氧化钛光触媒层分别设置，从而可以减少多孔材料对二氧化钛光触媒的毒性，提高二氧化钛光触媒的光催化效果。多孔材料层可作为体系中的吸附介质，将待分解气体分子汇集到多孔材料的空隙中，从而使多孔材料中的二氧化钛光触媒进行光催化反应，从而大大提高了光化学反应的效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
本申请涉及一种光触媒膜，光触媒膜设置于基材上，光触媒膜包括多孔材料层和二氧化钛光触媒层，二氧化钛光触媒层设置于多孔材料表层内部和/或多孔材料的表面。
本申请的光触媒膜是在基材上先制备一层多孔材料层，然后再制备一层的二氧化钛光触媒层，多孔材料包括介孔材料和大孔材料，介孔材料是指孔径介于2～50nm的一类多孔材料，大孔材料是指孔径大于50nm的多孔材料。在其上再制备二氧化钛光触媒层时，二氧化钛光触媒可渗透进入到多孔材料层中，结合于多孔材料的孔道和沟槽中，形成位于多孔材料内部的光触媒渗透层。将二氧化钛光触媒设置于多孔材料内，多孔材料层可作为体系中的吸附介质，将待分解气体分子汇集到多孔材料的空隙中，从而使多孔材料中的二氧化钛光触媒进行光催化反应，从而大大提高了光化学反应的效率。同时，采用在多孔材料内部或表面设置二氧化钛光触媒的方式，还可以大大减少多孔材料对二氧化钛光触媒的毒性，提高二氧化钛光触媒的光催化效果。
另外，二氧化钛光触媒还结合于多孔材料层的表面，形成光触媒表面层；光触媒表面层直接与外界接触，从而可直接对外界中的待分解气体分子分解。
根据二氧化钛光触媒的沉积量，当二氧化钛光触媒部分渗透进入到多孔材料层中时，本申请光触媒膜的另一种结构为：包括由下向上依次设置的多孔材料层、位于多孔材料内部的光触媒渗透层；
根据二氧化钛光触媒的沉积量，当二氧化钛光触媒部分渗透进入到多孔材料层中时，本申请光触媒膜的一种结构为：包括由下向上依次设置的多孔材料层、位于多孔材料内部的光触媒渗透层和位于多孔材料表面的光触媒表面层。
当二氧化钛光触媒完全渗透进入到多孔材料层中时，本申请光触媒膜的另一种结构为：仅包括位于多孔材料内部的光触媒渗透层；
当二氧化钛光触媒完全渗透进入到多孔材料层中时，本申请光触媒膜的一种结构为：包括由下向上依次设置的位于多孔材料内部的光触媒渗透层和位于多孔材料表面的光触媒表面层。
作为对本申请光触媒膜的一种改进，多孔材料层的原料选自介孔材料或大孔材料，并优选介孔材料，介孔材料优选硅藻土介孔材料、磷灰石介孔材料。进一步优选的，本申请中多孔材料层的透光率大于50％，从而利于激发光触媒进行催化作用。
作为对本申请光触媒膜的一种改进，多孔材料层的厚度为200～250μm。如果厚度过大易于脱落，如果厚度过小对光触媒的承载能力不足。
作为对本申请光触媒膜的一种改进，二氧化钛光触媒层的厚度为200～400μm，优选250～350μm。二氧化钛光触媒层中光触媒渗透层的厚度小于或等于多孔材料层的厚度，并进一步优选比多孔材料层的厚度小10～100μm；二氧化钛光触媒层剩余的厚度部分为光触媒表面层。
作为本申请光触媒膜的一种改进，光触媒膜为可见光触发型二氧化钛光触媒，选自硫化镉掺杂的二氧化钛、三氧化钨掺杂的二氧化钛、氮取代型氧化钛、缺氧型二氧化钛、贵金属修饰型二氧化钛；优选氮取代型氧化钛(TiO2-xNx)、缺氧型二氧化钛(TiO2-x)。
其中，贵金属修饰型二氧化钛选自金、银、钯、铂中的至少一种修饰型二氧化钛。
作为本申请光触媒膜的一种改进，基材为透明材料，优选玻璃或者树脂，树脂优选聚碳酸酯(Polycarbonate简称PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，简称PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene，简称PS)。
本申请还涉及该光触媒膜的制备方法，至少包括以下步骤：
(1)对基材表面进行预处理。
预处理步骤包括：先将基材表面用无水乙醇清洗，在60～80℃条件下干燥30～50min；然后用低温等离子处理4～10min，优选5～6min。
(2)在基材表面制备多孔材料层；
步骤包括：将多孔材料配制成质量百分比浓度为2～15wt％的水乳液，喷涂于基材表面；
进一步优选的，多孔材料的粒径为40～100nm，更优选50～70nm；
进一步优选的，多孔材料水乳液的质量百分比浓度为5～10％。
(3)将二氧化钛光触媒负载于所述多孔材料层上，即得光触媒膜；
步骤包括：将光触媒材料用溶剂配置成质量百分比浓度为1～10％的乳液，采用喷涂法或提拉法在多孔材料层上进行负载；
进一步优选的，光触媒材料的粒径优选为10～30nm，更优选10～15nm；
进一步优选的，溶剂为3～10％的丙三醇水溶液。
本申请还涉及一种照明设备，该照明设备上具有上述光触媒膜覆盖的部位。具体的，照明设备为灯，在其透明灯罩上覆盖有本申请的光触媒膜，灯的光源优选为LED。
本申请还涉及照明设备在冷藏设备中的应用，具体的冷藏设备包括冷藏车和冷库、冰箱、冰柜等。
本申请中光触媒膜中的多孔材料层对气味物质如有机胺类、醛类、酸类具有较好的吸附作用，吸附在LED灯罩表面的有机物在光照时，可被光触媒矿化为二氧化碳和水，达到去除异味的目的；同样道理，乙烯利在光照时也很容易被分解为二氧化碳和水，达到保鲜的目的；同时光触媒膜对大肠杆菌、金色葡萄球菌、绿脓杆菌、沙门氏菌等有抑制和杀灭作用；二氧化钛光触媒受光照后产生活性超氧离子自由基和羟基自由基等活性物质，对有机化合物及细胞膜质具有超强的分解作用，且不会对冷藏设备本身带来不利影响。从而达到保鲜、除味、杀菌的效果。
制备例
按照本申请的方法制备具有光触媒膜的照明设备：
具体步骤为：
1、用PC制作LED灯罩，灯罩表面用无水乙醇清洗，在70℃条件下干燥40min，再将灯罩的外表面用低温等离子处理5min；
2、在灯罩的外表面喷涂质量百分比浓度为10％的多孔性无机材料水乳液，将该泡罩在100℃条件下干燥20min，使多孔材料层成为透明的致密的膜；
3、将光触媒材料用5％的丙三醇水溶液配制成80％的乳液，以喷涂法或提拉法在上述多孔材料层表面进行负载，制得具有光触媒膜LED灯泡罩；
4、将该灯罩和照明用的LED灯珠、电源组装制得LED照明设备。
材料及参数具体参数如表1所示：
表1：
对比例：
D1：仅在PC表面制备多孔材料层；
D2：仅在PC表面制备二氧化钛光触媒层；
D3：将多孔性无机材料和光触媒材料混合后，制备于PC表面。
将上述LED照明设备(灯罩面积为0.1m2)用于30L的冰柜中，进行如下实验：
1、抗菌性能
将大肠杆菌、金色葡萄球菌、绿脓杆菌、沙门氏菌分别接种于专用培养基中，采用本申请的LED照明设备距离10cm距离下照射，在4℃下照射4小时，观察灭菌效果，测量出灭菌后菌落的直径；通过下述计算公式计算出对各菌的灭菌率，计算得到灭菌率如下表2所示。
灭菌率＝[(对比组的菌落平均直径-实验例菌落平均直径)/对比组的菌落平均直径]×100％
表2：
2、除味性能
模拟冰箱环境，在密闭空间内分别注入浓度为0.01％的氨气、0.01％的甲醛、0.01％的乙酸，测定在4小时后该密闭空寂内的气体浓度，计算对气体的分解作用。
分解率＝[(实验前气体浓度-实验后气体浓度)实验前气体浓度]×100％
结果如表3所示。
表3：
| 编号 | 氨气 | 甲醛 | 乙酸 |
| 1 | 99％ | 99％ | 98％ |
| 2 | 99％ | 98％ | 99％ |
| 3 | 98％ | 99％ | 99％ |
| 4 | 99％ | 99％ | 99％ |
| 5 | 92％ | 83％ | 82％ |
| 6 | 92％ | 84％ | 86％ |
| 7 | 90％ | 86％ | 83％ |
| 8 | 91％ | 83％ | 85％ |
| D1 | 51％ | 55％ | 53％ |
| D2 | 52％ | 53％ | 54％ |
| D3 | 52％ | 54％ | 53％ |
3、保鲜性能
在4℃的温度条件下，在密闭的容器中放入不带有任何病菌斑点的新鲜苹果，同时加上述LED等照射。经过30天后，观察两个容器中的苹果的外形、色泽、有无病菌斑点。观察结果如下表4所示。
表4
| 外形 | 色泽 | 有无病菌斑点 | |
| 1 | 基本无变化 | 鲜亮 | 不带任何病菌斑点 |
| 2 | 基本无变化 | 鲜亮 | 不带任何病菌斑点 |
| 3 | 基本无变化 | 鲜亮 | 不带任何病菌斑点 |
| 4 | 基本无变化 | 鲜亮 | 不带任何病菌斑点 |
| 5 | 基本无变化 | 鲜亮 | 不带任何病菌斑点 |
| 6 | 基本无变化 | 鲜亮 | 不带任何病菌斑点 |
| 7 | 基本无变化 | 鲜亮 | 不带任何病菌斑点 |
| 8 | 基本无变化 | 鲜亮 | 不带任何病菌斑点 |
| D1 | 皮变皱，萎蔫 | 暗淡 | 皮上有病菌斑点 |
| D2 | 皮变皱，萎蔫 | 暗淡 | 皮上有病菌斑点 |
| D3 | 皮变皱，萎蔫 | 暗淡 | 皮上有病菌斑点 |
本申请虽然以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本申请构思的前提下，都可以做出若干可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。
Claims (11)
1.一种光触媒膜，其特征在于，所述光触媒膜设置于基材上，所述光触媒膜包括多孔材料层和二氧化钛光触媒层，所述二氧化钛光触媒层设置于所述多孔材料表层内部和/或所述多孔材料的表面；
所述基材优选透明材料，更优选玻璃或者树脂，所述树脂优选PC、PMMA、PS。
2.根据权利要求1所述的光触媒膜，其特征在于，所述光触媒膜包括多孔材料层和位于所述多孔材料内部的光触媒渗透层；
或，所述光触媒膜包括位于所述多孔材料内部的光触媒渗透层；
所述光触媒渗透层通过二氧化钛光触媒材料分布于所述多孔材料层内的空隙中形成；
优选的，所述多孔材料表面还设置有光触媒表面层。
3.根据权利要求1所述的光触媒膜，其特征在于，所述多孔材料层的原料选自介孔材料或大孔材料，并优选介孔材料，所述介孔材料优选硅藻土介孔材料、磷灰石介孔材料。
4.根据权利要求1所述的光触媒膜，其特征在于，所述多孔材料层的厚度为200～250μm。
5.根据权利要求1所述的光触媒膜，其特征在于，所述二氧化钛光触媒层的厚度为200～400μm，优选250～350μm。
6.根据权利要求1所述的光触媒膜，其特征在于，所述光触媒膜为可见光触发型二氧化钛光触媒，选自硫化镉掺杂的二氧化钛、三氧化钨掺杂的二氧化钛、氮取代型氧化钛、缺氧型二氧化钛、贵金属修饰型二氧化钛；优选氮取代型氧化钛、缺氧型二氧化钛。
7.如权利要求1～6任一权利要求所述的光触媒膜的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
(1)对所述基材表面进行预处理，所述预处理优选采用低温等离子处理，优选的，处理时间为4～10min，更优选5～6min。
(2)在所述基材表面制备所述多孔材料层；
(3)将二氧化钛光触媒负载于所述多孔材料层上，即得所述光触媒膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将多孔材料配制成水乳液，喷涂于所述基材表面，所述多孔材料的粒径优选为40～100nm，更优选50～70nm；所述水乳液的质量百分比浓度为2～15wt％，优选5～10％。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将光触媒材料配置成乳液，采用喷涂法或提拉法在所述多孔材料层上进行负载，所述光触媒材料的粒径优选为10～30nm，更优选10～15nm；所述乳液的质量百分比浓度为1～10％。
10.一种照明设备，所述照明设备上具有被权利要求1～6所述的光触媒膜覆盖的部位。
11.如权利要求10所述的照明设备在冷藏设备中的应用。
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