CN110871061A - 一种光催化单元及其光催化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光催化单元及其光催化方法。该光催化单元包括光催化剂和紫外光源器件。所述的光催化剂采用泡沫氧化铝基载体负载的TiO2光催化剂，所述泡沫氧化铝基载体为开孔泡沫结构。采用上述的光催化单元用于净化气体时具有良好的催化活性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化单元及其光催化方法，属于光催化领域。
背景技术
半导体光催化氧化作为一种能够在常温常压下使有机物经光催化分解为二氧化碳和水，且不会造成二次污染的新型技术而引起世界各国研究者的高度重视。研究发现，利用半导体光催化法能够有效降解水和空气中的各种有机污染物，例如卤化烃、硝基芳烃、酚类、有机颜料、杀虫剂、表面活性剂等；也可以将氰化物、亚硝酸盐、硫氰酸盐等转化成无毒或低毒化合物；还可以应用于抗菌、除臭、空气净化、自清洁材料等领域。目前已经研究的半导体光催化剂主要包括金属氧化物以及硫化物等，其中二氧化钛(TiO2)具有化学稳定性好、安全无毒、成本低等特点，在光催化氧化方向得到广泛的研究和应用。
二氧化钛光催化剂通常以粉末形状使用，但这样会在流体中形成悬浮体系，从而带来分离困难和难以回收等技术问题，从而限制了实际应用。将二氧化钛固定在载体上，可以克服悬浮相二氧化钛光催化剂的缺点。因此，寻找合适的载体及高效的负载方法固定催化剂、提高催化剂光催化效率是实现二氧化钛光催化剂产业化的关键，亦是近年来光催化技术研究领域的热点。目前，载体材料主要包括玻璃类载体如玻璃片、玻璃纤维网等，陶瓷类载体如氧化铝陶瓷片、蜂窝状陶瓷柱、泡沫陶瓷等，金属类载体如钛片、不锈钢板、泡沫镍等。通常的负载方法是钛胶负载法或者是将氧化钛晶粒加入粘合剂负载法，然后经高温烧结，制负载型光催化剂。
目前，负载型光催化剂存在的技术问题是：第一，采用粘合剂等非催化材料时，在负载和烧结过程中，会影响表面上二氧化钛的量，从而影响催化活性；第二，在陶瓷等载体上负载二氧化钛时，通常采用高温焙烧以增加二氧化钛负载的牢固度，但二氧化钛容易被烧结，且生成非光催化活性的晶相，从而影响催化活性，而且即使是高温焙烧也仍存在二氧化钛容易流失的问题，从而影响催化剂的活性稳定性；第三，陶瓷等载体负载二氧化钛时还容易出现分布不均匀的问题，从而进一步影响其催化活性和稳定性。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种光催化单元及其光催化方法。采用该光催化单元进行净化气体时，具有良好的催化活性和催化稳定性。
本发明第一方面提供的一种光催化单元，其包括：
光催化剂，所述的光催化剂为泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂，所述泡沫氧化铝基载体为开孔泡沫结构，所述的光催化剂中，TiO2晶粒呈嵌入式分散在光催化剂外表面上；所述光催化剂的外表面上的TiO2晶粒中，粒径为5～50μm的TiO2晶粒占70％以上；
紫外光源器件，其发光部朝向光催化剂。
所述的光催化剂，以光催化剂的重量为基准，TiO2的含量为3％～30％，优选为5％～20％，氧化铝含量为70％～97％，优选为80％～95％。
所述光催化剂外表面上的TiO2晶粒，粒径为5～50μm的TiO2晶粒占70％以上，优选为80％以上，进一步地优选为粒径为15～45μm的TiO2晶粒占70％以上，优选为80％以上。
所述泡沫氧化铝基载体为泡沫γ-Al2O3基载体，所述TiO2主要为锐钛矿型。所述泡沫氧化铝基载体，其主要组分为氧化铝，含有氧化钛，优选为纳米氧化钛，载体中的氧化钛占载体重量的1％～5％。
所述载体含有氧化钛，载体中氧化钛占光催化剂中总氧化钛重量的5％～ 30％，优选为6％～25％；进一步优选如下：载体中的氧化钛优选分布于载体外表面。
所述泡沫氧化铝基载体的开孔率为40％～90％，优选为60％～85％，泡孔孔直径为1mm～5mm，孔隙密度为8～60ppi，优选为8～30ppi。
本发明所述的光催化剂采用光催化剂板，紫外光源器件采用紫外LED灯板，光催化剂板的一面或两面设置有紫外LED灯板，进一步地，紫外LED灯板对称地设置于光催化剂板的两面。所述的光催化剂板与紫外LED灯板平行设置。光催化剂板与紫外LED灯板的距离为0～10cm，进一步地为0～5cm，优选0.5～3.5cm。进一步地，所述光催化剂板的厚度可以为0.3～3.0cm。
本发明所述的紫外光源器件中，紫外LED灯板包括基板和设置在基板上的多个LED紫外发光颗粒即为Uv-LED点光源。紫外LED灯发出的紫外光的波长为280～390nm，可以为单一波长，也可以为混合波长，优选地为单一波长，比如365nm。
本发明所述的紫外光源器件中，紫外LED灯板上的LED紫外发光颗粒可呈阵列式排放，相邻阵列间可以设置通风孔，也可以不设置通风孔。
本发明所述基板可以为栅栏式，即栅条上设置有可呈阵列式排放的LED 紫外发光颗粒，栅条间为通风孔。紫外LED灯板可一面设置LED灯，也可以两面均设置LED灯。
本发明所述的光催化单元中，设置N个光催化剂板，每个光催化剂板两面设置紫外LED灯板，紫外LED灯板和光催化剂板平行设置，其中N为大于等于1的整数。相邻两个光催化剂板间设置的紫外LED灯板，可选用单面 LED灯的两个紫外LED灯板相背而设，也可以选用双面LED灯的一个紫外 LED灯板。
本发明所述的光催化单元中，还包括固定框架，用于固定光催化剂板和紫外LED灯板。
本发明的光催化单元可以应用到现有的电器设备中，比如空气净化器、冰箱、空调等，也可以应用到具有气体流动的管道中，比如排风、通风设备、尾气排放设备、换气设备等，还可以用于交通运输工具比如汽车、游轮、潜艇、飞机等。
本发明第二方面提供了一种光催化方法，其中采用第一方面提供的光催化单元，待净化气体通过光催化单元，在紫外光和催化剂作用下进行光催化反应，得到净化气体。
本发明的光催化方法中，待净化气体的进风方向根据需要可以调整，可以垂直进风，斜向进风等。
本发明的光催化方法中，光催化单元可以采用N个，N个光催化单元可以并联设置，也可以串联设置。多个光催化单元的摆放可以为一平板状，也可以呈V字状。N个光催化单元的摆放方式可以相同，也可以不同。
本发明的光催化方法中，紫外LED灯发出的紫外光的波长为280～390nm，可以为单一波长，也可以为混合波长，优选地为单一波长，比如365nm。
本发明的光催化方法中，紫外LED灯板与光催化剂板间的距离为0～10cm。进一步地为0～5cm，优选为0.5～3.5cm。进一步地，所述的光催化剂板的厚度可以为0.3～3.0cm。
本发明的光催化方法中，光催化剂板上的辐射强度为0.01～500mW/cm2，优选为0.5～70mW/cm2。
本发明的光催化方法中，待净化气体为含有易挥发有机物有机污染物和/ 或含硫、氮的气体，比如室内空气、工业气体等。
本发明的光催化方法可除去多种易挥发有机物(VOC)比如甲苯、二甲苯、苯、甲醛、乙醛及其同系物等，也可以除去多种含硫、氮的气体比如二氧化硫、硫化氢、氨等，还可以起到杀菌灭菌的作用。本发明的光催化方法可以用于净化室内空气、工业污染气体、雾霾污染物等，具有良好的光催化降解性能，具有良好的应用前景。
与现有技术相比，本发明光催化单元及光催化方法具有以下优点：
1、本发明的光催化单元中，在光催化剂板的两面分别平行设置紫外LED 灯板，而且光催化剂板具有多孔结构，紫外LED灯板具有通风孔，有助于同时提高气体流动性和催化效率。本发明方法采用此光催化单元不但安装方便，而且能达到良好的气体净化效果。
2、本发明的光催化单元采用泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂，具有较高的活性和稳定性。
对于单位数量的TiO2晶粒来说，其晶粒越小，比表面积越大，其催化活性越高，而晶粒越小，越不容易负载，即使负载也容易发生流失或被非活性组分覆盖，从而影响催化剂的活性和稳定性。
发明人经过大量试验发现，TiO2晶粒以适宜的微米级大小以嵌入式分布于催化剂表面，并形成高活性相的二氧化钛，更有利于应用于紫外光催化作用下有机物的分解，具有更好的活性，而且通过嵌入式的结构可大幅提高TiO2晶粒的固定强度，TiO2晶粒不易流失，还有TiO2晶粒未嵌入部分具有光滑的晶面，不易被非活性组分覆盖，从而大幅提高催化剂的活性和稳定性。
3、本发明的光催化单元采用泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂，其中泡沫氧化铝基载体的主要晶相为γ-Al2O3，具有较高的比表面积、较高的机械强度、较高的开孔率以及良好的吸脱附性能，同时TiO2晶粒以适宜的微米级大小以嵌入式分布于催化剂表面，不但增大了与水或气中有机物的接触机会，而且TiO2不容易流失，具有更高的光催化反应活性和稳定性。
附图说明
图1为本发明泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的外观图；
图2为本发明的泡沫氧化铝基载体A通过扫描电子显微镜放大200倍的图；
图3为本发明的光催化剂断面放大示意图；其中，1-TiO2晶粒，2-光催化剂；
图4为实施例1所得催化剂A的XRD图；
图5为本发明实施例的一种紫外LED灯板示意图，其中，3-紫外LED灯板，31-基板，32-LED紫外发光颗粒，33-通风孔；
图6为本发明实施例的一种光催化单元的示意图；其中4-光催化单元， 3-紫外LED灯板，5-固定框架；
图7为本发明催化剂光催化单元性能测试设备示意图；其中，4-光催化单元，6-风道。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作详细的说明。本发明中，wt％为质量分数。
(一)光催化剂
本发明所述的光催化单元中，所述光催化剂为泡沫氧化铝基载体负载 TiO2光催化剂，所述泡沫氧化铝基载体为开孔泡沫结构，所述的光催化剂中， TiO2晶粒呈嵌入式分散在光催化剂外表面上；所述光催化剂的外表面上的 TiO2晶粒中，粒径为5～50μm的TiO2晶粒占70％以上。
本发明中，TiO2晶粒呈嵌入式分散在催化剂外表面上，即所述TiO2晶粒部分嵌入催化剂中，所述TiO2晶粒未嵌入部分在催化剂外表面上呈分散分布。
所述催化剂外表面上的TiO2晶粒，粒径为5～50μm的TiO2晶粒占70％以上，优选为80％以上，进一步地优选为粒径为15～45μm的TiO2晶粒占70％以上，优选为80％以上。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂，组成包括TiO2和氧化铝，以催化剂的重量为基准，TiO2的含量为3％～30％，优选为5％～20％，氧化铝含量为70％～97％，优选为80％～95％。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂，所述泡沫氧化铝基载体，其主要组分为氧化铝，氧化铝含量占80wt％以上，优选85wt％以上。所述泡沫氧化铝基载体含有氧化钛，优选为纳米氧化钛，载体中的氧化钛占载体重量的1％～5％。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂，所述泡沫氧化铝基载体，其主要组分为氧化铝，含有氧化钛，载体中的氧化钛占催化剂中总氧化钛重量的5％～30％，优选为6％～25％。载体中的氧化钛优选分布于载体外表面。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂中，所述泡沫氧化铝基载体优选为泡沫γ-Al2O3基载体，进一步优选采用低温焙烧得到的泡沫氧化铝基载体，低温焙烧的焙烧温度为400～700℃，优选为450～700℃。所述TiO2主要为锐钛矿型。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂，泡沫氧化铝基载体的开孔率为40％～90％，优选为60％～85％，泡孔孔直径为1mm～5mm，孔隙密度为8～60ppi，优选为8～30ppi。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂中，泡沫氧化铝基载体中还可以含有硅、锆、镁、钙、锰等改性助剂，改性助剂以氧化物计的含量占泡沫氧化铝基载体重量的15％以下。
(二)光催化剂的制备方法
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法，包括：
(1)钛溶胶的制备；
(2)将有机泡沫浸入氧化铝基浆液中进行挂浆，去多余浆，经干燥，
(3)重复步骤(2)过程0～5次，优选1～4次，
(4)向步骤(3)所得的物料上喷浸氧化钛和氧化铝的混合浆液，再经干燥和焙烧，得到泡沫氧化铝基载体；
(5)将步骤(4)所得的泡沫氧化铝基载体浸入步骤(1)所得的钛溶胶中进行挂浆，去多余浆，经干燥，
(6)重复浸渍过程0～5次，优选1～4次；
(7)将步骤(6)得到的物料经热处理，得到泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法中，步骤(1)所述钛溶胶的制备可以采用常规方法制备，优选采用如下方法：将氧化钛前躯物溶于有机溶剂中，混合均匀制得钛溶胶。所述氧化钛前躯物可以为乙酰丙酮钛(IV)。
本发明步骤(1)中，在上述混合过程中优选加入羧甲基纤维素，羧甲基纤维素的加入量与钛原子的摩尔比1～7：100。
本发明步骤(1)中，所述的有机溶剂可以采用低碳醇，比如C1～C5的醇，优选为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或多种，进一步优选为异丙醇。所述的钛溶胶中钛的摩尔浓度为0.5～4.0mol/L。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法中，步骤 (2)所述的有机泡沫可以采用常规的发泡工艺制作的海绵结构的有机泡沫。所述有机泡沫可以为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯、聚苯乙烯等中的一种或多种，优选为聚氨酯泡沫。所述有机泡沫的开孔率为40％～90％，优选为60％～85％，泡孔孔直径为1mm～5mm，孔隙密度为8～60ppi，优选为8～30ppi。
步骤(2)中有机泡沫优选经预处理，具体方法如下：先用碱溶液处理，再用羧甲基纤维素溶液处理。所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或多种，碱溶液的质量浓度为8％～20％，处理时间为0.5～4.0小时，处理温度为 40～80℃。所述羧甲基纤维素溶液的质量浓度为0.5％～5.0％，处理时间为 0.5～4.0小时。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法中，步骤 (2)和步骤(4)所述的挂浆和去多余浆可采用常规方法进行，比如采用浸渍法挂浆，可以采用常压浸，优选采用真空浸，采用辊压法挤压去多余浆。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法中，步骤(2)所述的干燥为在50～95℃下干燥4～24小时。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法中，步骤 (2)所述的氧化铝基浆液包括氧化铝粉、尿素、粘结剂、高岭土、水，其中氧化铝粉：尿素：粘结剂：高岭土：水的重量比为10：0.1～0.6：0.2～5.0： 0.1～0.7：1.0～10.0，所述的氧化铝粉可以为γ-Al2O3，其粒径小于100μm，优选为小于1μm，可采用常规的中和法、醇解法等制备。所述的粘结剂优选采用氢氧化铝溶胶，加入的重量以氧化铝计。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法中，步骤 (3)所述的氧化钛和氧化铝的混合浆液包括纳米氧化钛、拟薄水铝石、酸性胶溶剂、水，优选加入聚乙二醇，其中纳米氧化钛、拟薄水铝石(以氧化铝计)、酸性胶溶剂、水的重量比为15：2～4：1～3：12～25，聚乙二醇的加入量占氧化钛和氧化铝的混合浆液重量的1％～5％。所述聚乙二醇的分子量为 200～4000。所述的纳米氧化钛，粒径为100nm以下，优选为10～100nm。所述的酸性胶溶剂可以采用无机酸，比如硝酸、盐酸中的一种或多种。所述拟薄水铝石为可胶溶的拟薄水铝石，可采用常规的中和法、醇解法等制备。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法中，步骤 (4)所述的氧化钛和氧化铝的混合浆液的优选制备方法是，先将纳米氧化钛与聚乙二醇混合后，再与拟薄水铝石、酸性胶溶剂、水混合，这样使至少部分聚乙二醇进入纳米二氧化钛中，以在后续处理过程中使纳米氧化钛更多的表面露在载体外面，并形成易富集区，后负载的二氧化钛更容易分布在纳米二氧化钛的周围，不但提高二氧化钛在载体表面的分散性和分散量，而且能够更好地控制二氧化钛晶粒的大小，并增加二氧化钛在催化剂中的牢固度，进一步提高了催化剂的活性和稳定性。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法中，步骤 (4)所述的喷浸优选采用不饱和喷浸法，以饱和吸水的水体积为基准，吸收率为50％～90％，优选为60％～80％。所述的干燥为在50～95℃下干燥4～24 小时。所述的焙烧为含氧气氛下低温焙烧，即在200～300℃下焙烧3～8小时，然后在400～750℃下焙烧1～6小时，优选在200～300℃下焙烧3～8小时，在450～700℃下焙烧2～5小时。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法中，步骤 (5)所述的干燥为在50～95℃下干燥6～24小时。
本发明所述的泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂的制备方法中，步骤 (7)所述的热处理的条件如下：在水蒸汽和/或惰性气体存在下，进行分段焙烧，即在200～300℃下焙烧3～8小时，然后在400～750℃下焙烧1～6小时，优选在200～300℃下焙烧3～8小时，在450～700℃下焙烧2～5小时。所述惰性气体可以为氮气。
采用本发明方法制备的光催化剂，以有机泡沫作为模板，先挂浆氧化铝基浆液，然后再喷浸氧化钛和氧化铝的混合浆液，经干燥和低温焙烧制成泡沫氧化铝基载体，充分利用有机泡沫的骨架结构，在保持原来三维贯通孔道的基础上，形成γ-Al2O3相为主的骨架结构，骨架结构的外表面复合有氧化钛和氧化铝，从而制成泡沫氧化铝基载体；再者，在后续利用钛溶胶负载二氧化钛时，可采用低温焙烧，容易在泡沫氧化铝基载体中氧化钛的基础上进行二氧化钛晶粒的生长、聚集，形成分布均匀、高活性相的微米级晶粒，使微米级晶粒嵌入催化剂中，可提高TiO2的牢固度，提高了光催化剂的稳定性。
采用本发明方法制备光催化剂时，热处理优选采用水蒸汽和/或惰性气体分段热处理，促进适宜TiO2晶粒的生长，以及改善TiO2晶粒在载体表面的分散度，同时也改善了TiO2晶粒未嵌入部分的大小，促进水或气容易与光催化剂接触面积，同时也使水或气快速通过光催化剂，提高处理效率。
(三)光催化单元
本发明提供了一种光催化单元，其包括：
所述的光催化剂，
紫外光源器件，其发光部朝向光催化剂。
本发明所述的光催化剂采用光催化剂板，紫外光源器件采用紫外LED灯板，光催化剂板的一面或两面设置有紫外LED灯板。进一步地，紫外LED灯板对称地设置于光催化剂板的两面。所述的光催化剂板与紫外LED灯板平行设置。
本发明所述的紫外光源器件中，紫外LED灯板包括基板和设置在基板上的多个LED紫外发光颗粒即为Uv-LED点光源。
本发明所述的紫外光源器件中，紫外LED灯板上的LED紫外发光颗粒可呈阵列式排放，相邻阵列间可以设置通风孔，也可以不设置通风孔即相邻阵列间为无孔实体，根据使用情况来确定。
本发明所述基板可以为栅栏式，即栅条上设置有可呈阵列式排放的LED 紫外发光颗粒，栅条间为通风孔。紫外LED灯板可一面设置LED灯，也可以两面均设置LED灯。
本发明所述的光催化单元中，设置N个光催化剂板，每个光催化剂板两面设置紫外LED灯板，紫外LED灯板和光催化剂板平行设置，其中N为大于等于1的整数。相邻两个光催化剂板间设置的紫外LED灯板，可选用单面LED灯的两个紫外LED灯板相背而设，也可以选用双面LED灯的一个紫外 LED灯板。
本发明所述的光催化单元中，还包括固定框架，用于固定光催化剂板和紫外LED灯板。
(四)光催化方法
本发明提供了一种光催化方法，采用所述的光催化单元，待净化气体通过光催化单元，在紫外光和催化剂的作用下进行光催化反应，得到净化气体。
本发明的光催化方法中，待净化气体的进风方向根据需要可以调整，可以垂直进风，斜向进风等。
本发明的光催化方法中，光催化单元可以采用N个，N个光催化单元可以并联设置，也可以串联设置。多个光催化单元的摆放可以为一平板状，也可以呈V字状。N个光催化单元的摆放方式可以相同，也可以不同。
本发明的光催化方法中，紫外LED灯发出的紫外光的波长为280～390nm，可以为单一波长，也可以为混合波长，优选地为单一波长，比如365nm。
本发明的光催化方法中，紫外LED灯板与光催化剂板间的距离为0～10cm。进一步地为0～5cm，优选为0.5～3.5cm。进一步地，所述的光催化剂板的厚度可以为0.3～3.0cm。
本发明的光催化方法中，光催化剂板上的辐射强度为0.01～500mW/cm2，优选为0.5～70mW/cm2。
下面结合实施例对本发明的技术方案作详细的说明，但实施例并不限制本发明的保护范围。本发明中，wt％为质量分数。
本发明中，TiO2的晶型是采用XRD方法测得的，仪器为Rigaku D/max-2500X射线衍射仪，采用Cu靶(0.15406nm)，石墨单晶滤波，操作管电压40kV，管电流30mA，扫描步长0.026°，扫描范围5～70°。
本发明中，催化剂表面上，TiO2晶粒的大小和晶粒分布是采用扫描电子显微镜测得的，采用日立X650型扫描电子显微镜观察，，操作电压15kV，氮气保护，间歇喷金。
本发明催化剂中，TiO2的含量是采用化学法测得。本发明载体中，TiO2的含量是采用化学法测得。
本发明中，有机泡沫和泡沫氧化铝基载体的开孔率是根据ASTM D 6226-2005测定方法，孔隙密度以每英寸长度上的孔数表示，单位为ppi。
如图5所示，紫外LED灯板3，其包括基板31和设置在基板31上的多个紫外LED发光颗粒32，基板31还设置有通风孔33。灯板3的形状可以为正方形，作为可变换的实施方式，也可以正方形、圆形、椭圆形或其它形状。通风孔33的形状为长方形。作为可变换的实施方式，也可以正方形、圆形、椭圆形或其它形状。应了解的是，本领域技术人员可以根据需要和使用场所以及通风的要求等来确定紫外LED灯板3和通风孔33的形状，本发明并不以此为限。紫外LED发光颗粒32呈阵列式排放在基板上，相邻阵列间设置通风孔33。所述基板31为栅栏式，即栅条上设置有呈阵列式排放的LED 紫外发光颗粒，栅条间为通风孔33。对于紫外LED发光颗粒32的个数，可以根据光催化剂所需光照强度进行调节。
如图6所示，光催化单元4包括紫外LED灯板3、光催化剂板5、固定框架6。其中光催化剂板5的两面各平行设置一个紫外LED灯板3，将光催化剂板5和紫外LED灯板3采用固定框架6固定，构成光催化单元4。
本发明实施例和比较例中，钛溶胶的制备过程如下：将乙酰丙酮钛(IV) 固体粉末、羧甲基纤维素加到异丙醇中，混合均匀制得钛的摩尔浓度为3mol/L 的钛溶胶，其中羧甲基纤维素的加入量与钛原子的摩尔比3：100。
预处理的聚氨酯泡沫的处理过程如下：将聚氨酯泡沫依次用质量浓度为15％的氢氧化钠溶液、质量浓度为1.0％羧甲基纤维素溶液处理后，得到预处理的聚氨酯泡沫。聚氨酯泡沫为方形。
实施例1
将γ-Al2O3粉、尿素、氢氧化铝溶胶(以氧化铝计)、高岭土、水按重量比为10：0.3：2.0：0.3：6混合，得到氧化铝基浆液；
将纳米氧化钛(粒径100nm以下，下同)与聚乙二醇(分子量为600) 混合后，再与拟薄水铝石、硝酸、水混合，纳米氧化钛、拟薄水铝石(以氧化铝计)、硝酸、水按重量比为15：3：2：15混合，聚乙二醇加入量按氧化钛和氧化铝的混合浆液重量的3％加入，得到氧化钛和氧化铝的混合浆液；
采用方形板体的聚氨酯泡沫进行预处理，将预处理的聚氨酯泡沫浸入氧化铝基浆液中进行真空浸挂浆，去多余浆，在75℃下干燥6小时，重复此过程2次；然后喷浸氧化钛和氧化铝的混合浆液，按吸收率的70％进行不饱和喷浸，然后在75℃下干燥6小时，在200℃下焙烧4小时，在600℃下焙烧3 小时，得到泡沫氧化铝基载体A，其中氧化钛含量为1.8wt％，其开孔率为75％，泡孔孔直径为1mm～5mm，孔隙密度10ppi；
将所得的泡沫氧化铝基载体A浸入钛溶胶中进行真空浸挂浆，去多余浆，然后在75℃下干燥6小时，重复此步骤1次；然后在水蒸汽和氮气存在下，进行分段焙烧，即在200℃下焙烧4小时，然后在650℃下焙烧3小时，得到泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂A。催化剂A中，氧化钛质量含量为 13.0％。
采用XRD测得所得催化剂A中，TiO2主要以锐钛矿为主，见图3。
采用扫描电子显微镜测量所制备的催化剂表面TiO2晶粒，并采用统计法得到TiO2晶粒的大小，其中选取有代表性的催化剂表面，统计面积大约为 20000μm2，统计的TiO2晶粒总数超过500个。测得催化剂A表面上，粒径为 5～50μm约占92％，粒径为15～45μm的TiO2晶粒约占87％。
采用扫描电子显微镜对催化剂断面进行观察，TiO2晶粒1部分嵌入催化剂2中，未嵌入部分分布在催化剂2外表面，示意图见图2。
实施例2
将γ-Al2O3粉、尿素、氢氧化铝溶胶(以氧化铝计)、高岭土、水按重量比为10：0.4：2.0：0.4：7混合，得到氧化铝基浆液；
将纳米氧化钛与聚乙二醇(分子量为600)混合后，再与拟薄水铝石、硝酸、水混合，纳米氧化钛、拟薄水铝石(以氧化铝计)、硝酸、水按重量比为 15：3.5：2：18混合，聚乙二醇加入量按氧化钛和氧化铝的混合浆液重量的 2.5％加入，得到氧化钛和氧化铝的混合浆液；
采用方形板体的聚氨酯泡沫进行预处理，将预处理的聚氨酯泡沫浸入氧化铝基浆液中进行真空浸挂浆，去多余浆，在75℃下干燥6小时，重复此过程2次；然后喷浸氧化钛和氧化铝的混合浆液，按吸收率的70％进行不饱和喷浸，然后在75℃下干燥6小时，在250℃下焙烧3小时，在650℃下焙烧3 小时，得到方形的泡沫氧化铝基载体B，其中氧化钛含量为2.5wt％，其开孔率为75％，泡孔孔直径为1mm～5mm，孔隙密度20ppi；
将所得的泡沫氧化铝基载体B浸入钛溶胶中进行真空浸挂浆，去多余浆，然后在75℃下干燥6小时，重复此步骤1次；然后在水蒸汽和氮气存在下，进行分段焙烧，即在250℃下焙烧3小时，然后在650℃下焙烧3小时，得到泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂B。催化剂B中，氧化钛质量含量为14.0％。
采用XRD测得所得催化剂B中，TiO2主要以锐钛矿为主。
采用扫描电子显微镜测量所制备的催化剂表面TiO2晶粒，并采用统计法得到TiO2晶粒的大小，其中选取有代表性的催化剂表面，统计面积大约为 20000μm2，统计的TiO2晶粒总数超过500个。测得催化剂B表面上，粒径为 5～50μm约占90％，粒径为15～45μm的TiO2晶粒约占84％。
采用扫描电子显微镜对催化剂断面进行观察，TiO2晶粒1部分嵌入催化剂2中，未嵌入部分分布在催化剂2外表面，示意图见图2。
实施例3
将γ-Al2O3粉、尿素、氢氧化铝溶胶(以氧化铝计)、高岭土、水按重量比为10：0.3：2.0：0.5：7混合，得到氧化铝基浆液；
将纳米氧化钛与聚乙二醇(分子量为400)混合后，再与拟薄水铝石、硝酸、水混合，纳米氧化钛、拟薄水铝石(以氧化铝计)、硝酸、水按重量比为 15：3.5：2：18混合，聚乙二醇加入量按氧化钛和氧化铝的混合浆液重量的 2.5％加入，得到氧化钛和氧化铝的混合浆液；
采用方形板体的聚氨酯泡沫进行预处理，将预处理的聚氨酯泡沫浸入氧化铝基浆液中进行真空浸挂浆，去多余浆，在75℃下干燥6小时，重复此过程2次；然后喷浸氧化钛和氧化铝的混合浆液，按吸收率的70％进行不饱和喷浸，然后在75℃下干燥6小时，在250℃下焙烧3小时，在650℃下焙烧3 小时，得到泡沫氧化铝基载体C，其中氧化钛含量为3.0wt％，其开孔率为75％，泡孔孔直径为1mm～5mm，孔隙密度10ppi；
将所得的泡沫氧化铝基载体C浸入钛溶胶中进行真空浸挂浆，去多余浆，然后在75℃下干燥6小时，重复此步骤1次；然后在水蒸汽和氮气存在下，进行分段焙烧，即在250℃下焙烧3小时，然后在650℃下焙烧3小时，得到泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂C。催化剂C中，氧化钛质量含量为 15.0％。
采用XRD测得所得催化剂C中，TiO2主要以锐钛矿为主。
采用扫描电子显微镜测量所制备的催化剂表面TiO2晶粒，并采用统计法得到TiO2晶粒的大小，其中选取有代表性的催化剂表面，统计面积大约为 20000μm2，统计的TiO2晶粒总数超过500个。测得催化剂C表面上，粒径为 5～50μm约占89％，粒径为15～45μm的TiO2晶粒约占83％。
采用扫描电子显微镜对催化剂断面进行观察，TiO2晶粒1部分嵌入催化剂2中，未嵌入部分分布在催化剂2外表面，示意图见图2。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同点在于：不加入聚乙二醇，直接将纳米二氧化钛与拟薄水铝石、硝酸、水混合，纳米氧化钛、拟薄水铝石(以氧化铝计)、硝酸、水按重量比为15：3：2：15混合，得到氧化钛和氧化铝的混合浆液。
本实施例得到泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂D。催化剂D中，氧化钛质量含量为13％。
采用XRD测得所得催化剂D中，TiO2主要以锐钛矿为主。
采用扫描电子显微镜测量所制备的催化剂表面TiO2晶粒，并采用统计法得到TiO2晶粒的大小，其中选取有代表性的催化剂表面，统计面积大约为 20000μm2，统计的TiO2晶粒总数超过500个。测得催化剂D表面上，粒径为5～50μm约占86％，粒径为15～45μm的TiO2晶粒约占82％。
采用扫描电子显微镜对催化剂断面进行观察，TiO2晶粒1部分嵌入催化剂2中，未嵌入部分分布在催化剂2外表面，示意图见图2。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同点在于：将所得的泡沫氧化铝基载体A浸入钛溶胶中进行真空浸挂浆，去多余浆，然后在75℃下干燥6小时，重复此步骤1次；然后在水蒸汽和氮气存在下，采用单段焙烧，即在650℃下焙烧5小时，得到泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂E。催化剂E中，氧化钛质量含量为13.0％。
采用XRD测得所得催化剂E中，TiO2主要以锐钛矿为主。
采用扫描电子显微镜测量所制备的催化剂表面TiO2晶粒，并采用统计法得到TiO2晶粒的大小，其中选取有代表性的催化剂表面，统计面积大约为 20000μm2，统计的TiO2晶粒总数超过500个。测得催化剂E表面上，粒径为 5～50μmTiO2晶粒约占86％，粒径为15～45μm的TiO2晶粒约占81％。
采用扫描电子显微镜对催化剂断面进行观察，TiO2晶粒1部分嵌入催化剂2中，未嵌入部分分布在催化剂2外表面，示意图见图2。
比较例1
本比较例采用常规的开孔泡沫陶瓷(α-Al2O3)为载体，再在泡沫陶瓷上负载TiO2，其负载的膜厚度约为40μm，得到催化剂DA。
实施例6
本试验是测试光催化剂A的光催化性能，其中测试条件如下：
(1)测试原料：分别以甲苯、二甲苯、苯、氨、甲醛、乙醛、二氧化硫、和硫化氢作为污染物的空气作为测试原料。
(2)测试设备：如图6，取光催化剂A制成光催化单元，然后将光催化单元固定在相应规格带风机的风道中组成测试设备，见图7。其中，光催化剂 A的参数和LED灯设置如下：
光催化剂A为板状：长为15cm，宽为15cm，厚度为1cm；
紫外LED灯板包括基板和基板上的48个LED紫外发光颗粒，呈阵列式平均分布在基板上，每列8个共6列，基板的外观呈栅栏状如图5。紫外LED 发光颗粒朝向光催化剂A，发出光线波长为365nm紫外光，基板的长为15cm，宽为15cm，两个紫外LED灯板平行放置于光催化剂A板的两面，间距为2cm，光催化剂A上的单面紫外线强度达10m W/cm2；
风道横截面为方形，将光催化剂单元密封放置于风道中；
(3)测试方法和测试条件：准备一个样品实验舱和一个空白实验舱；
将测试设备放置于1m3封闭样品实验舱内，将污染物充入实验舱内。启动测试设备和LED灯，进料速度为0.5L/min，测试温度为26℃，常压，测试时间1小时，结果见表1；
空白实验舱与样品实验舱不同的操作是只启动测试设备而不启动LED灯，结果见表1；
(4)污染物乙醛的检测按GB/T18883-2002进行，苯及苯系物的检测方法按GB/T11737-1989进行，甲醛的检测方法按GB/T 18204.26-2000进行；
(5)以含白色葡萄球菌的气体为原料进行了测试催化剂杀菌测试，结果见表3。
表1采用实施例1制备催化剂A净化污染物的检测结果
实施例7-10
净化污染物的检测方法和杀菌的检测方法同实施例6，只是将催化剂样品分别替换为实施例2-5制备的催化剂B-E，结果见表2和表3。
比较例2
净化污染物的检测方法和杀菌的检测方法同实施例6，只是将催化剂样品替换为比较例1制备的催化剂DA，结果见表2和表3。
表2采用实施例2-5及比较例1制备催化剂净化污染物的检测结果
表3采用实施例和比较例制备催化剂杀菌的检测结果
| 催化剂编号 | 测试微生物 | 处理时间，0h | 处理时间，1h | 去除率(％) |
| 催化剂A | 白色葡萄球菌 | 6.1×10<sup>4</sup> | 71 | 99.88 |
| 催化剂B | 白色葡萄球菌 | 6.1×10<sup>4</sup> | 78 | 99.87 |
| 催化剂C | 白色葡萄球菌 | 6.1×10<sup>4</sup> | 71 | 99.88 |
| 催化剂D | 白色葡萄球菌 | 6.1×10<sup>4</sup> | 86 | 99.86 |
| 催化剂E | 白色葡萄球菌 | 6.1×10<sup>4</sup> | 87 | 99.86 |
| 催化剂DA | 白色葡萄球菌 | 6.1×10<sup>4</sup> | 90 | 99.85 |
实施例11
本实施例为催化剂稳定性测试。
将催化剂A置于设有超声波容器中，超声处理条件：水与催化剂体积比为4：1，超声频率为30kHz，功率按溶液体积为20W/L，温度30℃，处理次数5次，每次处理时间30min，然后将催化剂A用于光催化性能测试，测试方法同实施例6，其结果各测试污染物的去除率有所降低，降低率小于1％，白色葡萄球菌的去除率为98.96％。
实施例12和13
按实施例11的方法测试催化剂B和C的稳定性，其结果各测试污染物的去除率有所降低，降低率小于1％，白色葡萄球菌的去除率的降低率小于1％。实施例14和15
按实施例11的方法测试催化剂D和E的稳定性，其结果各测试污染物的去除率有所降低，降低率在1％～3％之间，白色葡萄球菌的去除率的降低率大约为2％。
比较例3
按实施例11的方法测试催化剂DA的稳定性，其结果各测试污染物的去除率有所降低，降低率均达到10％以上，白色葡萄球菌的去除率为85％。
实施例16
同实施例6，只是将把测试条件(2)中的“两个紫外LED灯板平行放置于光催化剂A板的两面，间距为2cm，光催化剂A上的单面紫外线强度达10m W/cm2”；改为“两个紫外LED灯板平行放置于光催化剂A板的两面，间距为5cm，光催化剂A上的单面紫外线强度达0.8m W/cm2”，结果见表4。表4实施例16净化污染物的检测结果
Claims (12)
1.一种光催化单元，其包括：
光催化剂，所述的光催化剂为泡沫氧化铝基载体负载TiO2光催化剂，所述泡沫氧化铝基载体为开孔泡沫结构，所述的光催化剂中，TiO2晶粒呈嵌入式分散在光催化剂外表面上；所述光催化剂的外表面上的TiO2晶粒中，粒径为5～50μm的TiO2晶粒占70％以上，优选为80％以上，进一步地优选为粒径为15～45μm的TiO2晶粒占70％以上，优选为80％以上；
紫外光源器件，其发光部朝向光催化剂。
2.按照权利要求1所述的光催化单元，其特征在于，以光催化剂的重量为基准，TiO2的含量为3％～30％，优选为5％～20％，氧化铝含量为70％～97％，优选为80％～95％。
3.按照权利要求1或2所述的光催化单元，其特征在于所述泡沫氧化铝基载体为泡沫γ-Al2O3基载体，所述TiO2主要为锐钛矿型。
4.按照权利要求1或2所述的光催化单元，其特征在于所述泡沫氧化铝基载体，其主要组分为氧化铝，含有氧化钛，优选为纳米氧化钛，载体中的氧化钛占载体重量的1％～5％；优选地所述载体含有氧化钛，载体中氧化钛占光催化剂中总氧化钛重量的5％～30％，优选为6％～25％；进一步优选如下：载体中的氧化钛优选分布于载体外表面。
5.按照权利要求1所述的光催化单元，其特征在于，泡沫氧化铝基载体的开孔率为40％～90％，优选为60％～85％，泡孔孔直径为1mm～5mm，孔隙密度为8～60ppi，优选为8～30ppi。
6.按照权利要求1-5任一所述的光催化单元，其特征在于：所述的光催化剂采用光催化剂板，紫外光源器件采用紫外LED灯板，光催化剂板的一面或两面设置有紫外LED灯板；所述的光催化剂板与紫外LED灯板平行设置；进一步地，光催化剂板与紫外LED灯板的距离为0～10cm，优选为0.5～3.5cm；进一步地，所述光催化剂板的厚度为0.3～3.0cm。
7.按照权利要求6所述的光催化单元，其特征在于：紫外LED灯板包括基板和设置在基板上的多个LED紫外发光颗粒；优选地，紫外LED灯板上的LED紫外发光颗粒呈阵列式排放，相邻阵列间设置或不设置通风孔；优选地所述基板为栅栏式，即栅条上设置有呈阵列式排放的LED紫外发光颗粒，栅条间为通风孔。
8.按照权利要求1或7所述的光催化单元，其特征在于：所述的光催化单元中，设置N个光催化剂板，每个光催化剂板两面设置紫外LED灯板，紫外LED灯板和光催化剂板平行设置，其中N为大于等于1的整数。
9.按照权利要求1所述的光催化单元，其特征在于：所述的光催化单元中，还包括固定框架，用于固定光催化剂板和紫外LED灯板。
10.一种光催化方法，其特征在于：采用权利要求1～9任一所述的光催化单元；其中，待净化气体通过光催化单元，在紫外光和光催化剂作用下进行光催化反应，得到净化气体。
11.按照权利要求10所述的光催化方法，其特征在于，所述紫外LED灯发出的紫外光的波长为280～390nm；所述紫外LED灯板与光催化剂板间的距离为0～10cm；光催化剂板上的辐射强度为0.01～500mW/cm2。
12.按照权利要求11所述的光催化方法，其特征在于，所述紫外LED灯发出的紫外光的波长为365nm；所述紫外LED灯板与光催化剂板间的距离为0.5～3.5cm；光催化剂板上的辐射强度为0.5～70mW/cm2。
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Legal Events
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Address after: 272000 Workshop 1, Floor 1, Building A1, Zhongke Science and Technology Innovation Park, Intersection of Shanhe Road and Rongchang Road, Liuhang Street, High-tech Zone, Jining City, Shandong Province Patentee after: Zhongke Yuenengjing (Shandong) New Material Co.,Ltd. Address before: 511430 room 909, Tian'an science and technology innovation building, Panyu energy saving science and Technology Park, No. 555, North Panyu Avenue, Donghuan street, Panyu District, Guangzhou City, Guangdong Province Patentee before: GUANGDONG YUENENGJING ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |