CN111330640B - 一种用于空气净化器中的压电催化膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空气净化技术领域,公开了一种用于空气净化器中的压电催化膜,包括压电聚合物和用作压电聚合物电极的碳材料,其制备方法为将聚偏氟乙烯‑六氟丙烯与碳黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或者多种混合,制备前驱溶液,通过静电纺丝或相分离喷涂法制备具有高压电相的聚偏氟乙烯‑六氟丙烯多孔薄,将其负载在商用空气净化器滤芯上,利用空气净化器中的气流扰动使得聚偏氟乙烯‑六氟丙烯多孔复合膜振动,产生压电催化功能,使其高效去除室内挥发性有机物。
Description
技术领域
本发明属于室内空气净化领域,提供了一种用于空气净化器中的压电催化膜及其制备方法。
背景技术
室内有许多污染物,包括颗粒物、气态污染物、微生物和碳氢化合物(甲苯,二甲苯,甲醛和其他有机成分),其中甲醛是室内空气中最普遍的污染物之一。这些污染物影响健康,甚至致癌。因此,从室内空气中去除PM,微生物和甲醛迫在眉睫。
目前,生物处理、吸附、光催化、等离子体和热催化氧化等方法已被广泛应用于处理,但存在许多限制。吸附技术受吸附剂容量的限制;光催化氧化需要额外的光源和有效的照射;等离子技术成本高;热催化氧化需要高温高压。因此,需要一种有效且低成本的方法对污染物进行处理。室内污染物的去除通常需要多层的各种空气过滤器,利用催化对室内气态污染物尤其是甲醛进行处理。
已经有许多研究利用光电催化对有机污染物进行了降解,其已被证明是一种有效的技术,但其需要额外的光源配制,和有效的光接触面积,实施条件比较复杂。另外,电化学降解去除甲醛是处理室内空空气污染物也是一个好的选择。作为一种有潜力的新技术,在过去的研究中,有机污染物的电化学氧化受到了广泛的关注。电催化最重要的部分之一是电极材料,好的电极材料不仅应能有效地进行污染降解,而且还具有电化学稳定性等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于空气净化器中的压电催化膜,该膜利用空气净化器中的气流扰动,将机械能转化成电能,同时催化降解室内有机污染物,实现在无光照、无外加电源驱动条件下室内有机污染物净化。
为了实现上述的目的,本发明的技术方案为:通过添加碳材料作为电极,而多孔压电薄膜则充当自供能电源,通过压电催化降解甲醛等气体。
本发明一方面提供了一种用于空气净化器中的压电催化膜,它为电极填料均匀分散压电聚合物中形成的多孔薄膜,所述多孔薄膜通过空气流动产生振动,引发其中的压电聚合物产生压电效应,从而使电极填料富集的自由电荷在压电电场的作用下与空气中的有机污染物发生化学反应,实现有机污染物降解。
进一步的,上述压电聚合物包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物和/或聚偏氟乙烯-三氟丙烯聚合物。
更进一步的,上述电极填料为碳黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种的组合,其中电极填料含量占聚合物和电极填料总量的2~10wt%。
进一步的,上述电极填料的粒径50-2000nm。对于碳纳米管所指粒径范围是其长度,对于石墨烯所指粒径范围是其片层直径。
进一步的,上述多孔薄膜孔径为20-1000nm,厚度为20~200μm。
本发明同时提供了上述空气净化器中的压电催化膜的制备方法,它包括以下步骤:
S1、将电极填料和压电聚合物加入到丙酮中,在室温下使压电聚合物溶解、电极填料分散,得到混合溶液;
S2、将上述混合溶液中加入水,得到相分离喷涂液;
S3、将相分离喷涂液装入水雾喷壶中,喷洒在载体上,形成多孔膜,在室温下干燥24小时,得到压电催化膜。
进一步的,上述步骤S1中,电极填料和压电聚合物的质量比范围为:0.02-0.11,丙酮的加入量为电极填料和压电聚合物质量和的7.8-15.6倍,在室温下溶解和分散的时间为6-10小时。
进一步的,上述步骤S3中载体包括织物表面,或待应用该压电催化膜的空气净化器滤芯的表面。
本发明先将碳黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种与聚偏氟乙烯-六氟丙烯和/或聚偏氟乙烯-三氟丙烯共同分散在溶剂丙酮中,然后通过静电纺丝或者相分离喷涂的方法在多孔织物表面或者应用表面直接形成多孔膜,在空气净化器启动过滤过程中,空气流动产生薄膜振动,引发薄膜的压电发电,使得电极料中的自由电荷在压电电场的作用下,与空气中的有机污染物发生化学反应,从而降解室内有机污染物。
本发明还提供了上述用于空气净化器中的压电催化膜在空气净化器中的应用,它负载在空气净化器中的过滤材料上,利用空气净化器工作时的气流扰动激发压电催化膜产生压电催化效应,降解室内有机污染物。
进一步的,上述压电催化膜通过上述制备方法提供的方式负载于空气净化器过滤材料表面,或者先负载于织物表面,再将表面有多孔膜的织物贴附于空气净化器过滤材料表面
应用过程中,本发明的压电催化膜在空气净化器过滤空气的过程中,气流扰动产生薄膜振动,能引发该薄膜压电发电的开路电压达到0.5-10V;可催化分解的有机污染物包含甲醛、TVOC、CO,因此,它通过空气净化器中的气流扰动激发薄膜振动,产生压电催化性能,降解室内气态有机污染物。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
在制备方法上,通过复合材料填料含量可以调节薄膜催化性能,通过静电纺丝和相分离喷涂法可以得到高压电相聚偏氟乙烯-六氟丙烯多孔薄膜,覆盖在任意多孔支持性材料上,可以直接负载在商用净化器中的滤膜上。
在催化条件上,所制备的压电催化膜,只需要流过的空气对其产生机械振动,就会产生较好的压电催化性能,并在短时间内降解有机气体。
附图说明
图1为本发明实施例的碳材料改性多孔聚偏氟乙烯-六氟丙烯膜的结构示意图。
图2为本发明实施例的多孔聚偏氟乙烯-六氟丙烯复合压电催化膜净化室内空气中的有机污染物示意图。
具体实施方式
实施例1压电催化膜的制备及发电性能
下面结合附图1对本发明的实施例作进一步的描述:
首先配制前驱体混合溶液:称量0.0204~0.1111g碳黑(或石墨烯或碳纳米管)和1g聚偏氟乙烯-六氟丙烯颗粒加入到5-10ml的丙酮,在室温下溶解和分散6小时,得到纺丝液;称量0.0204~0.1111g碳黑(或石墨烯或碳纳米管)和1g聚偏氟乙烯-六氟丙烯颗粒倒入10-20ml的丙酮,在室温下溶解,加入1-3ml水,得到相分离喷涂液。
通过静电纺丝或相分离喷涂法在织物上进行多孔膜制备。
然后在室温下静置24小时,得到多孔聚偏氟乙烯-六氟丙烯复合膜;
该复合多孔膜可在空气净化器中的气流扰动下(普通档位),产生0.5-10V的开路电压。
实施例2压电催化膜催化性能
下面结合附图2对本发明的实施例作进一步的描述:
把不同碳黑含量的多孔聚偏氟乙烯-六氟丙烯复合薄膜(3、5、8wt%)制备在同等面积的商用过滤网上,该商用过滤网只有过滤功能,没有催化功能,负载聚偏氟乙烯-六氟丙烯复合多孔压电催化膜后,测试碳黑含量、风力大小对室内有机污染物去除率的影响。表1显示了不同碳黑含量和风力对甲醛、苯、CO的去除效果,测试条件30平面室内环境,净化1小时。
表1不同碳黑含量和风力对甲醛、苯、CO的去除效果
对比发现,当风速较大,使得薄膜振动增强,提高了催化能力,使去除率提升;同时当碳黑含量较高时,有更多的自由电荷可以被压电电场驱动参与催化反应,提升催化效率。
最后应说明的是:显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种用于空气净化器中的压电催化膜,其特征在于,其为电极填料均匀分散于压电聚合物中形成的多孔薄膜,所述多孔薄膜通过空气流动产生振动,引发其中的压电聚合物产生压电效应,从而使电极填料富集的自由电荷在压电电场的作用下与空气中的有机污染物发生化学反应,实现有机污染物降解;
所述压电聚合物包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物和/或聚偏氟乙烯-三氟丙烯聚合物;
所述电极填料为碳黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种的组合,其中电极填料含量占聚合物和电极填料总量的2~10 wt%;
所述电极填料的粒径50-2000 nm;
所述多孔薄膜孔径为20-1000 nm,厚度为20~200μm。
2.如权利要求1所述的用于空气净化器中的压电催化膜的制备方法,其特征在于,它包括以下步骤:
S1、将电极填料和压电聚合物加入到丙酮中,在室温下使压电聚合物溶解、电极填料分散,得到混合溶液;
S2、将上述混合溶液中加入水,得到相分离喷涂液;
S3、将相分离喷涂液装入水雾喷壶中,喷洒在载体上,形成多孔膜,在室温下干燥24小时,得到压电催化膜。
3.如权利要求2所述的用于空气净化器中的压电催化膜的制备方法,其特征在于,
所述步骤S1中,电极填料和压电聚合物的质量比范围为:0.02-0.11,丙酮的加入量为电极填料和压电聚合物质量和的7.8-15.6倍,在室温下溶解和分散的时间为6-10小时。
4.如权利要求2所述的用于空气净化器中的压电催化膜的制备方法,其特征在于,
所述步骤S3中的载体为织物表面,或者为空气净化器滤芯表面。
5.如权利要求1所述的用于空气净化器中的压电催化膜在空气净化器中的应用,其特征在于,它负载在空气净化器中的过滤材料上,利用空气净化器工作时的气流扰动激发压电催化膜产生压电催化效应,降解室内有机污染物。
6.根据权利要求5所述的用于空气净化器中的压电催化膜在空气净化器中的应用,其特征在于,所述压电催化膜通过权利要求2-4中任一权利要求所述的制备方法负载于空气净化器过滤材料表面,当所述步骤S3中的载体为织物时,将表面有压电催化膜的织物贴附于空气净化器过滤材料表面。
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