CN115582014A - 一种光催化空气净化装置的过滤部件 - Google Patents

Abstract

本申请涉及空气净化领域，具体提供了一种光催化空气净化装置的过滤部件。该过滤部件包括碳点、光触媒颗粒、活性炭层、支撑部。碳点固定设置于光触媒颗粒的表面，光触媒颗粒固定设置于活性炭层的一侧，活性炭层为多孔结构，支撑部为一端敞口的柱状壳体，壳体的底面为网状结构，活性炭层固定设置于支撑部的内壁，活性炭层与支撑部的内壁固定粘合连接，支撑部的底面与活性炭层远离光触媒颗粒一侧接触。本发明过滤部件中设置的碳点和活性炭层能够降低光触媒颗粒内部光生电子和光生空穴的复合率，提升光催化反应的强度，进而提升净化效率。从而，解决本发明由于现有的过滤部件中的光生电子和光生空穴容易复合，空气净化效率较低的问题。

Description

一种光催化空气净化装置的过滤部件

技术领域

本申请涉及空气净化领域，具体而言，涉及一种光催化空气净化装置的过滤部件。

背景技术

碳量子点又称碳点或碳纳米点，是一种零维碳纳米材料，由准球形碳纳米颗粒组成。具有原料来源广、制备简单、成本低、低毒性、环境友好的优点。导电性能较好，可作为电子的受体。

过滤部件是光催化空气净化装置中的核心部分。光催化空气净化装置用于净化空气中的颗粒污染物和气体污染物，如粉尘、花粉颗粒、甲醛等等。使用时，打开光催化空气净化装置的电源，光源和风扇或空气压缩器开始工作；待净化的空气由进风口进入光催化空气净化装置，在光催化空气净化装置内部过滤部件处产生光催化反应，具体地，光触媒颗粒为半导体材料，过滤部件中的光触媒颗粒在光源光照作用下，同时与待净化空气充分接触，光照射在光触媒颗粒上，光子的能量使得光触媒颗粒中的电子由价带跃迁到导带，从而产生光生电子和光生空穴，产生的光生电子和光生空穴具有较强的氧化还原能力，具有氧化能力的光生电子与空气中的氧气产生氧化反应生成氧负离子，具有还原能力的光生空穴与空气中的水分子产生还原反应生成羟基自由基团，氧负离子和羟基自由基团具有较高的活性，与空气中的有机气体污染物反应生成无毒的二氧化碳和水，完成净化过程；光催化反应过程将待净化空气中的气体污染物转化为无毒的二氧化碳和水，最终由出风口排出，多次循环空气中的污染物会逐渐减少，空气质量越来越好，达到净化空气的目的。然而，导带中的大部分电子会回到价带，与空穴复合，即光触媒颗粒内部产生的光生电子和光生空穴重新复合，从而不能参与到光催化反应中，使得光催化反应的强度较弱，最终降低光催化空气净化装置的空气净化效率。

综上所述，由于现有的过滤部件中的光生电子和光生空穴容易复合，使得参与光催化反应的光生电子和光生空穴较少，光催化反应强度较弱，从而空气净化效率较低。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种光催化空气净化装置的过滤部件。本发明的技术构思是：碳点具有较好的导电性，设置于光触媒颗粒的表面，使得光触媒颗粒中的部分光生电子由光触媒颗粒迁移到碳点中，从而阻止这部分光生电子与光生空穴复合，使得光触媒颗粒内部光生电子和光生空穴的复合率降低，从而提升光催化反应的强度，提升净化效率。另一方面，活性炭也具有导电性，光触媒颗粒中的一部分光生电子也会迁移到活性炭层，使得光触媒颗粒中的光生电子和光生空穴的复合率进一步降低，从而提升光催化反应的强度，进一步提升空气净化效率。

本发明公开的技术方案如下：

本申请提供一种光催化空气净化装置的过滤部件，该过滤部件包括碳点、光触媒颗粒、活性炭层、支撑部。碳点是一种零维碳纳米材料，形状为球形。光触媒颗粒为球状光触媒材料，具有光催化性能的半导体材料，可以为TiO₂、ZrO₂、ZnO、CdS、WO₃中的一种。碳点固定设置于光触媒颗粒的表面，可以是粘合固定连接也可以是通过相互作用力固定连接，光触媒颗粒的粒径大于150nm，优选地，光触媒颗粒的粒径为500nm-50μm，碳点的粒径小于8nm，碳点的间距为10-50nm，这样能够在光触媒颗粒的表面设置足够多的碳点，同时也能够使得光触媒表面与空气和光照充分接触。活性炭层为活性炭块体材料或活性炭棉，活性炭层为多孔结构。光触媒颗粒固定设置于活性炭层的一侧，活性炭层该侧的孔口尺寸大于光触媒颗粒直径的一半，小于光触媒颗粒的二倍直径，具体地，光触媒颗粒不完全堵住开孔，孔口处的光触媒颗粒可以设置于孔壁边缘处，也可以设置于连接各孔之间的平面处，这样既能够实现气体的流通，还能够较多光触媒颗粒的设置。光触媒颗粒可以为多层，优选地，光触媒颗粒的层数少于五层，这样不会阻挡气流的通过，层数较多时，风阻过大使得净化后的空气难以排出。支撑部为一端敞口的柱状壳体，支撑部的材料为不透明的硬质材料，如硬质合金、木材等等，壳体的底面为网状结构，这样能够使气体流过，还能够对活性炭层起支撑作用。活性炭层固定设置于支撑部的内壁，活性炭层与支撑部的内壁固定粘合连接，支撑部的底面与活性炭层远离光触媒颗粒一侧接触。优选地，网状结构的网孔尺寸小于1.0mm，这样还能够阻挡一部分大颗粒污染物。支撑部底面的形状与活性炭层接触底面的平面的形状和尺寸相同，这样既能起到保护过滤层的作用，还能防止较大颗粒污染物对活性炭层的污染。支撑部的高需要高出过滤部件内过滤层高度至少0.5cm，这样能够起到保护内部过滤层的作用。

本发明过滤部件只需要置于光催化空气净化装置的过滤层位置即可，同时方便更换。更具体地，本发明过滤部件与光催化装置之间的连接关系与光催化装置的具体设置有关，具体地，可以将本申请过滤部件通过支撑部外壁粘合固定在光催化空气净化装置内过滤层位置处，也可以通过空气净化器内匹配的卡槽固定，可选地，还可以在支撑部的外壁设置螺纹，与空气净化器内部匹配的螺纹通过螺纹固定连接，即需要将本发明过滤部件固定在光催化空气净化装置内部设计有过滤层的位置，光照由支撑部敞口一侧入射，同时空气由本申请支撑部底部流入本发明过滤部件，净化后的空气由支撑部敞口流出，最终由光催化空气净化装置的出风口排出。

更进一步地，光触媒颗粒的表面上还固定设置有贵金属纳米颗粒。贵金属纳米颗粒的材料为金或银。贵金属纳米颗粒的粒径为20nm-100nm，这样的贵金属纳米颗粒在光照作用下能够产生局域表面等离激元共振效应，在贵金属纳米颗粒的表面产生电子的集体共振，在附近形成强电场。贵金属纳米颗粒与碳点之间不接触，且贵金属纳米颗粒与碳点之间的距离小于150nm，这样碳点附近的电场强度较强，强电场会使得光触媒颗粒中更多的光生电子转移到碳点中，从而使得光触媒颗粒中的光生电子和光生空穴的复合率进一步降低，提升净化效率。同时，光触媒颗粒中的光生电子能够迁移到贵金属纳米颗粒中，一方面能够降低光触媒颗粒中光生电子和光生空穴的复合率，另一方面，贵金属纳米颗粒中的电子浓度更高，局域表面等离激元共振效应更强，使得贵金属纳米颗粒附近的电场更强，从而使得光触媒颗粒中更多的光生电子转移到碳点，更进一步降低光触媒颗粒中的光生电子-光生空穴复合率，从而更进一步提升净化效率。更进一步地，光触媒颗粒的表面为孔状，孔的深度和孔的开口大小均为30nm-10μm，每个光触媒颗粒上最少有三个孔状结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果：光触媒颗粒在光照作用下产生光生电子和光生空穴。本发明过滤部件中设置的碳点和活性炭具有导电性，能够使生成的光生电子由光触媒颗粒迁移到碳点和活性炭中，从而降低光触媒颗粒内部光生电子和光生空穴的复合率，提升光催化反应的强度，进而提升净化效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种光催化空气净化装置的过滤部件的示意图；

图2为本发明提供的一种光催化空气净化装置的过滤部件中空气净化效率提高的原理示意图；

图3为本发明提供的一种光催化空气净化装置的过滤部件中支撑部底面的示意图；

图4为本发明制得碳点的TEM图像；

图5为本发明制得碳点的UV吸收光谱。

图标：1-碳点；2-光触媒颗粒；3-活性炭层；4-支撑部。

具体实施方式

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

本发明提供了一种光催化空气净化装置的过滤部件，如图1所示，过滤部件包括碳点1、光触媒颗粒2、活性炭层3、支撑部4。碳点1是一种零维碳纳米材料，形状为球形。光触媒颗粒2为球状光触媒材料，具有光催化性能的半导体材料，可以为TiO₂、ZrO₂、ZnO、CdS、WO₃中的一种，导电性能较好。碳点1固定设置于光触媒颗粒2的表面，可以是粘合固定连接也可以是通过相互作用力固定连接，光触媒颗粒2的粒径大于150nm，优选地，光触媒颗粒2的粒径为500nm-50μm，这样能够在光触媒颗粒2的表面设置较多的碳点1，光触媒颗粒2的粒径可以相同也可以不同，优选地，光触媒颗粒2的粒径不同，光触媒颗粒2的高度不同，这样能够使得光场充分地照射在各个光触媒颗粒2的表面，从而使得光触媒颗粒2中产生更多的光生电子和光生空穴。碳点1的粒径小于8nm，碳点1的间距为10nm-50nm，这样能够在光触媒颗粒2的表面设置足够多的碳点，同时也能够使得光触媒颗粒2表面与空气和光照充分接触。碳点1具有导电性，如图2所示，光触媒颗粒2中的光生电子能够迁移到碳点1中，在碳点的表面与空气中的水分子生成羟基自由基团，进而与有机气体污染物反应，使得光触媒颗粒2中的光生电子和光生空穴的复合率降低，光催化反应强度增加，净化效率提升。

本发明的碳点可以采用“自上而下”法制备，如电弧放电法、激光烧蚀法等，也可以采用“自下而上”法制备，如水热法、微波法、热解法等。具体地，本实施例采用热解法得到碳点，更具体地，以大麦苗为碳源，将大麦苗剪碎，然后粉碎为粉末，加入去离子水溶解，超声15min，转移到坩埚中进行热解，烘箱的温度为250℃，热解20min，自然冷却后取出；然后加入去离子水进行高速离心，离心转速为10000rpm，离心时间为12min，离心后取上层清液，通过冷冻干燥得到碳点粉末。图4为得到碳点TEM图像，表明本实施例得到的碳点的尺寸为2-4nm，插图中的晶格说明了碳核的形成。图5为得到碳点的UV吸收光谱，其中232nm处的吸收峰为碳点中C＝C键的π→π^*跃迁导致，296nm处的吸收峰由碳点表面官能团的n→π^*跃迁导致，这说明本实施例成功制得了碳点。

活性炭层3为活性炭块体材料或活性炭棉，活性炭层3为多孔结构。光触媒颗粒2固定设置于活性炭层3的一侧，光触媒颗粒2设置在整个该侧面上。活性炭层3的厚度大于1.0cm，这样才能有效去除空气中的颗粒污染物。活性炭层3该侧的孔口尺寸大于光触媒颗粒2直径的一半，小于光触媒颗粒2的二倍直径，具体地，光触媒颗粒2不完全堵住开孔，孔口处的光触媒颗粒2可以设置于孔壁边缘处，也可以设置于连接各孔之间的平面处，这样既能够实现气体的流通，还能够较多光触媒颗粒2的设置。光触媒颗粒2可以为多层，优选地，光触媒颗粒2的层数少于五层，这样不会阻挡气流的通过，层数较多时，风阻过大使得净化后的空气难以排出。支撑部4为一端敞口的柱状壳体，支撑部4的材料为不透明的硬质材料，如硬质合金、木材等等，壳体的底面为如图3所示的网状结构，这样能够使气体流过，还能够对活性炭层3起支撑作用。具体地，网孔的形状可以为圆形、矩形，网孔的排布可以规则排布也可以不规则排布。

进一步地，光触媒颗粒2的表面上还固定设置有贵金属纳米颗粒。贵金属纳米颗粒的材料为金或银。贵金属纳米颗粒的粒径为20nm-100nm，这样的贵金属纳米颗粒在紫外光照作用下能够产生较强的局域表面等离激元共振效应，在贵金属纳米颗粒的表面产生电子的集体共振，在附近形成强电场。贵金属纳米颗粒与碳点1之间不接触，且贵金属纳米颗粒与碳点1之间的距离小于150nm，这样碳点1附近的电场强度较强，强电场会使得光触媒颗粒2中更多的光生电子转移到碳点1中，从而使得光触媒颗粒2中的光生电子和光生空穴的复合率进一步降低，提升净化效率。贵金属纳米颗粒的间距小于300nm，这样相邻贵金属纳米颗粒之间能够产生局域表面等离激元共振的耦合现象，使得相邻贵金属纳米颗粒之间和表面附近产生强电场，强电场的区域更大，从而更多的碳点1处于强电场中，光触媒颗粒2中有更多的光生电子转移到碳点1中，降低光触媒颗粒2中的光生电子和光生空穴的复合率，提升净化效率。同时，光触媒颗粒2中的光生电子能够迁移到贵金属纳米颗粒中，一方面能够降低光触媒颗粒2中光生电子和光生空穴的复合率，另一方面，贵金属纳米颗粒中的电子浓度更高，局域表面等离激元共振效应更强，使得贵金属纳米颗粒附近的电场更强，从而使得光触媒颗粒2中更多的光生电子转移到碳点1，更进一步降低光触媒颗粒2中的光生电子-光生空穴复合率，从而更进一步提升净化效率。

更进一步地，光触媒颗粒2的表面为孔状，孔的深度为50nm-10μm和孔的开口大小为30nm-10μm，每个光触媒颗粒2上最少有三个孔状结构。孔内壁上固定设置有碳点1，一方面能够在光触媒颗粒2上设置更多的碳点1，用以接受更多来自光触媒颗粒2的光生电子，进一步降低光生电子和光生空穴的复合率，提升空气净化效率；另一方面，由于孔结构更接近光触媒颗粒2的核心，使得光生电子不需要运动到表面就可以迁移到碳点1，从而能够使得更多的光生电子由光触媒颗粒2迁移到碳点1，降低光触媒颗粒2内部光生电子和光生空穴的复合率，提升净化效率；再一方面，多孔的光触媒颗粒2增加了表面积，使得光触媒颗粒2和光场、空气的相互作用更充分，即光场照射下能够产生更多的光生电子和光生空穴，同时光触媒颗粒2表面的活性位点更多，周围光催化反应需要的物质如氧气、水分子的较多，使得光催化反应进行地更加充分，从而光催化反应的强度更大，即空气净化效率较高。

孔状结构的开口处还固定设置有贵金属纳米颗粒，优选地，贵金属纳米颗粒的粒径为20nm-100nm，开口处贵金属纳米颗粒的尺寸为20nm-30nm时可以设置在孔内壁上，粒径大于30nm时设置在开口处边缘，需要注意贵金属纳米颗粒的不将孔状结构的开口完全堵住，以便光照、空气进入孔状结构内，这样碳点1上的光生电子能够在光照作用下，与空气相互作用，进行光催化反应，从而提升净化效率。贵金属纳米颗粒在光场照射下，产生局域表面等离激元共振，贵金属纳米颗粒表面产生强电场，产生的强电场局域在孔状结构内，使得局域电场的强度更强，从而孔状结构内部的碳点1周围的电场强度更强，强电场使得更多的光生电子由光触媒颗粒2迁移到碳点1中，降低光触媒颗粒2中的光生电子和光生空穴的复合率，孔内有充足的空气和光照，更多的光生电子在碳点1的表面参与光催化反应，因此，孔状结构开口处的贵金属纳米颗粒使得光触媒颗粒2中的光生电子和光生空穴的复合率进一步降低，光催化反应的强度进一步提升，空气净化效率得到进一步提升。多孔光触媒颗粒2可以通过腐蚀、电子束曝光、水热法、溶胶-凝胶法之一制备。

应用时，需要将本发明过滤部件固定在光催化空气净化装置内部设计有过滤层的位置，光照由支撑部敞口一侧入射，同时空气由本申请支撑部底部流入本发明过滤部件，净化后的空气由支撑部敞口流出，最终由光催化空气净化装置的出风口排出。本发明中活性炭层3轴线垂直方向上截面形状的具体形状可以为圆形、矩形等，其形状需要与光催化空气净化装置中设置的过滤层形状一致。待净化空气由活性炭层3远离光触媒颗粒2一侧流入，即由支撑部4的底部流入，由活性炭层3靠近光触媒颗粒2一侧流出。光源为紫外光源或紫外-可见光源。光源发出的光照射在光触媒颗粒2表面，即光由活性炭层3设置有光触媒颗粒2一侧照射，光子的能量使得光触媒材料价带上的电子跃迁到导带，在导带中生成光生电子，在价带中生成光生空穴，产生的光生电子和光生空穴具有较强的氧化还原能力，具有氧化能力的光生电子与空气中的氧气产生氧化反应生成氧负离子，具有还原能力的光生空穴与空气中的水分子产生还原反应生成羟基自由基团，氧负离子和羟基自由基团具有较高的活性，与空气中的有机气体污染物反应生成无毒的二氧化碳和水，完成净化过程，净化后的空气最终由出风口排出。碳点1的存在使得光生电子由光触媒颗粒2迁移到碳点1中，使得光触媒颗粒2中的光生电子和光生空穴难以复合，从而提升光催化反应的强度，提升空气净化效率。另外，在光照作用下，贵金属纳米颗粒的表面产生局域表面等离激元效应，在其表面产生强电场，强电场的存在使得处于强电场中的碳点1能够从光触媒颗粒2中得到更多的电子，即光触媒颗粒2中的光生电子和光生空穴的复合率进一步降低，从而进一步提升空气净化效率。因此，本发明过滤部件的空气净化效率较高。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光催化空气净化装置的过滤部件，其特征在于，所述过滤部件包括碳点、光触媒颗粒、活性炭层、支撑部，所述碳点固定设置于所述光触媒颗粒的表面，所述光触媒颗粒固定设置于所述活性炭层的一侧，所述活性炭层为多孔结构，所述支撑部为一端敞口的柱状壳体，所述壳体的底面为网状结构，所述活性炭层固定设置于所述支撑部的内壁，所述活性炭层与所述支撑部的内壁固定粘合连接，所述支撑部的底面与所述活性炭层远离所述光触媒颗粒一侧接触。

2.根据权利要求1所述的光催化空气净化装置的过滤部件，其特征在于，所述光触媒颗粒的表面上设置有贵金属纳米颗粒。

3.根据权利要求2所述的光催化空气净化装置的过滤部件，其特征在于，所述贵金属纳米颗粒与所述碳点之间不接触。

4.根据权利要求3所述的光催化空气净化装置的过滤部件，其特征在于，所述贵金属纳米颗粒的材料为金或银。

5.根据权利要求4所述的光催化空气净化装置的过滤部件，其特征在于，所述光触媒颗粒的表面为孔状。

6.根据权利要求1所述的光催化空气净化装置的过滤部件，其特征在于，所述活性炭层上的多孔结构为微纳米量级的孔。

7.根据权利要求6所述的光催化空气净化装置的过滤部件，其特征在于，所述活性炭层为活性炭块体材料或活性炭棉。

8.根据权利要求7所述的光催化空气净化装置的过滤部件，其特征在于，所述碳点的粒径小于8nm。

9.根据权利要求8所述的光催化空气净化装置的过滤部件，其特征在于，所述光触媒颗粒的粒径大于150nm。

10.根据权利要求9所述的光催化空气净化装置的过滤部件，其特征在于，所述光触媒颗粒的材料为TiO₂、ZrO₂、ZnO、CdS、WO₃中的一种。

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