TWI344384B - Photocatalytic process - Google Patents

Description

1344384 ί\ * (1) 九、發明說明 本申請案主張美國臨時專利申請序號第60/62夂724號 ^ 的優先權" 【發明所屬之技術領域】 本發明槪括地係關於光催化清淨器，且特別者，關於 一用於實行光催化空氣或水清淨器的場發射裝置。 【先前技術】 氧化鈦業經用爲許多應用中的光催化劑。最熟悉的多 種應用之一爲用於太陽能電池應用。有許多其他的應用已 經使用於產品中。二氧化鈦（Ti〇2 )已用在防曬乳液中吸 收紫外線（UV ) 。Ti〇2也經使用在純化系統中以清潔水 及空氣。Ti〇2係藉由產生自由基以及荷電粒子來作用，該 等粒子與接近經活化的Ti〇2之生物和病毒污染物及有害 ® 化學物品反應’由此分解這些污染物成爲無害的化合物。 於此等純化系統中’需要一個UV光源將Ti〇2材料活 化。若所用的UV光波長短於380奈米，則光催化行爲最 佳。典型地’係使用螢光燈（有時被稱作反相燈）作爲 UV光源。這些UV光源有一些問題。彼等經常含汞且經 常棄置在掩埋場中，因此對環境及人體有毒害。汞燈也需 要一些時間以打開至滿載功率，亦即，彼等具有一暖機 期。若該等燈在家庭空氣系統或水供給中斷裂，彼等會以 有害的永污染此等系統。再者’此等系統的壽命都是有限 -4- 1344384 Γν w (2) . 者且υν光的強度係弱者，因而限制了使用Ti02光催化劑 的消毒或清潔系統之用處。 、 另一種UV光的來源係使用寬能帶LEDs (發光二 極）。雖然LEDs具有較長的壽命且爲可立即打開者，不 過彼等都沒有效率且不能均勻地照明。 所需要者爲一大面積UV光源，其爲可立即打開，不 含汞’具有高亮度，高效率且具有長壽命者。 • 更進—步者，Ή 〇2現時係經沉積在UV燈表面或玻璃 纖維布上。玻璃纖維布是需要的，因爲Ti02沉積需要高 溫以達到Ti 02的最佳光催化性質。此材料爲非導電性且 並不堅固。所需要的是在上面要沉積Ti02的布或纖維材 料’其爲導電性者且能夠耐住高溫者。 【發明內容及實施方式】 詳細說明 # 接下來的說明中，要敘述出許多具體細節，例如具體 網路組態等，以提供對本發明的徹底了解。不過，此技藝 人士顯然可知，本發明不用到這些具體細節仍可實施。於 其他情況中，將熟知的電路顯示在方塊圖形式中，以不使 本發明混淆於不必要的細節裡。大體而言，關於時間方面 的考慮及類似的細節已經省略，係因爲這些細節不是獲得 本發明的完整了解所需者且也都在熟諳相關技藝者所具技 巧之內。 至此可參照圖式，其中描繪的要件不一定按比例顯 -5- 1344384 Γν k (3) . 示’且於數個圖式中相同或類似的要件係由相同的元件編 號標示。 . 圖一顯示出使用以02及UV光源的空氣純化系統之組 態。U V螢光燈1 0 1，或反相燈，係經配置成從每個燈1 0 1 發射UV光103。面對UV燈101的過濾器102內側有塗 覆著Ti02的過濾器102可由碳纖維布或紙所製成，如下 面所描述者。不乾淨的空氣流105通過清淨器而導致一清 % 淨空氣流]06從清淨器釋出。於另一組態中，不乾淨的空 氣可通過介於經T i Ο 2塗覆的板1 〇 2之間的側道1 〇 4。於此 情況中，板102並不需要爲空氣可透過者。 一水淨化系統可經構組成爲非常相似者。於此圖中沒 有顯示出的風扇或幫浦係用來移動空氣或水，且使用壁， 管或導管移動或輸送物流至特定區域。再者，沒有顯示出 的是需要用來操作燈的電源及連接器。諳於此技者都能夠 實行此等沒有顯示出的物件。 φ 圖2顯示出一使用一電子束激發燐光體以產生UV光 的燈2 0 0。電子束2 0 8係使用一冷陰極2 1 1所產生’例如 以碳爲底的冷陰極，且更特定地’使用一奈米碳管電子源 204。此燈200具有一些優點： 1.其不含汞， 2 .其爲瞬間打開者， 3. 其產生一有著高效率的高UV光強度’及 4. 其具有長的壽命（大於20,000小時） 有數種可用以製造此燈200的組態。一具體實例爲將 (4) 1344384 ί\ ，此燈200製造成二極組態如圖2所示者^於此組態中，電 子源204係面對一塗覆著燐光體203的陽極212，其在能 量電子208撞擊時，產生UV光209。 陰極211包括一在玻璃206表面上具有沉積著導電材 料205層之玻璃基板206。該導電材料205可爲一金屬薄 膜例如鉻’銅’鈦或其他金屬’一合金或此等金屬的混合 物，或一經適當地固化之時會導電的網版印刷糊例如 φ DuP〇nt #77]3 Ag糊。該導電層205也可爲氧化銦錫 (I TO )或其他透明導電材料。 在導電層205之頂部有沉積一冷陰極材料層204，當 施加電偏壓2 ] 0至該冷陰極材料2 0 4的表面強到足以從材 料2〇4拉出電子208時，其會發射電子208。有許多材料 可供選擇，包括金屬微尖端（TIPS )或矽或碳微尖端，不 過有一具體實例係使用一種以碳爲底的冷陰極，例如包含 奈米碳管（carbon nanotubes，CNTs)的薄膜。該CNT薄 β 膜204可使用此技藝中已熟知之許多 CVD技術（熱 CVD，電獎 CVD，熱絲（hot filament) CVD，等）的一種 而利用過渡金屬作爲催化劑，以促進C N T成長而長在導 電體2 05表面上。該CNT薄膜2 04也可使用噴塗，印 刷’網版印刷，分配，油漆，浸塗，噴墨印刷，旋塗或其 他放置含有CNTs的油墨或糊於表面上的手段，分配或沉 積於表面205上。該CNTs也可使用一乾燥噴霧法或噴珠 處理法來沉積。在陰極導體2 05與CNT層2〇4之間可置 放一阻層（未顯示出）。陰極導電層205及CNT層204 1344384 ί\ » (5) . 也可爲相同材料且僅爲一層者。CNT層2〇4及導電層2〇5 可爲連續或有形成圖案者》CNT層2〇4可經像素化 (pixilated) ° 在陽極212上’一玻璃基材20]有塗覆著—導電層 203及透明材料層202，例如1T0。在此ITO表面202的 頂端爲一燐光體材料203，於能量電子208所撞擊時，燐 光體材料203即發射UV光。該ITO層202係以技藝中熟 φ 知的技術，例如蒸發，濺鍍等所沉積。憐光體材料2 0 3的 例子爲 YTa04，YTa04:Gd，BaSi205:PB2 +及 ZrP2〇4。其他 材料也可有作用。燐光體材料的選擇係決定於燐光體的效 率（撞擊燐光體的每單位電子能量所發射的光量），發射 波長分布（發射波長與Ti〇2或任何其他有用的光催化劑 或方法之吸收帶之間有良好的重疊），燐光體的壽命（其 是否慢慢地老化），飽和限制及衰減時間（燈是否可驅使 至高發光強度）以及成本和真空相容性。燈業經使用 # BaSi205:PB2 +燐光體及YTa04燐光體製成。對於Ti02光催 化劑的應用，YTa04燐光體可爲較佳的選擇，因爲其UV 發射能帶與Ti02吸收能帶有較強的重疊之故（圖5)。其 他燐光體可選擇用於其他光催化應用或其他uv燈應用’ 例如光阻劑材料的固化或聚合物的硬化或固化。 燐光體材料2 0 3係使用電泳法’網版印刷’沉著’乾 燥，或其他方法予以沉積。在燐光體層203的頂上可沉積 一鋁層（未顯示出）使得電子在撞擊憐光體層203之前穿 過鋁層。該鋁層係薄到足以讓來自陰極2 I I的電子208通

J -8- 1344384 Γν » (6) . 過’但厚到足以讓由燐光體2 03所產生的UV光209反射 回去。該鋁層係作用來增加燐光體的效率及發光強度（亮 . 度）。燐光體材料係朝所有方向發光。若在燐光體層的背 後放置一反射層，則沿著從燐光體往陰極的方向前進的光 會朝前進方向反射回，實質地將燈的光輸出兩倍化。 陽極玻璃基材材料對於U V光應盡可能的透明。雖然 鈉鈣玻璃材料具有一些UV光透射度，不過硼矽酸玻璃 # ( borosilicate glass )具有更高的UV光透射率。UV透射 性玻璃的一個例子爲由Shott Glass所製的Borofloat 33» 其具有比鈉鈣玻璃更延伸到U V區內的短波長截止値（見 圖6)。玻璃的選擇也由裝配密封裝置的能力所決定。本 發明的一做法可能需要使用玻璃對玻璃的玻璃熔料密封D 例如，已有玻璃熔料材料供Shott Borofloat Glass所用。 使用其他裝配技術，例如使用玻璃管與使用火焰密封法可 允許其他玻璃的選擇，例如石英。作爲陽極的玻璃之選擇 0 可決定系統剩餘的部分（陰極，側壁等）所用玻璃的選 擇’因爲彼等可能需要具有相匹配的熱係數之故。此可在 密封及裝配程序中維持玻璃部件內的應力至最小，該等程 序可能需要高至550 °C之溫度。 陽極板2】2及陰極板2]】可與側壁207裝配在一起並 使用玻璃熔料密封以製作一密封的玻璃燈泡。陽極2 1 2及 陰極2 1 1的活性側在裝配體內係彼此面對。將燈泡內的空 氣通過一洞或管（未顯示）抽除且在抽除後密封該洞或 管。可以使用收氣劑（未顯示）以抽取在燈泡內的剩餘空 -9- * (7) 1344384 /\

I . 氣。若燈泡夠大且玻璃板太薄而在外面空氣對表面所施壓 力下支撐不住介於陽極2 1 2及陰極2 1 1間的間隙，可以在 . 燈泡內部使用間隔件（未顯示）以支撐玻璃板。 燈2 00係經由在陰極導體205上施加一負偏壓210及 在陽極導體202上施加一正偏壓210所操作。偏壓210可 爲連續（直流電）（DC )或脈衝（交流電）（AC )者。 偏壓210應夠強以在陽極導體202及陰極導體205間產生 • — 1伏/微米-20伏/微米的電場，使得可從CNT層204 抽出電子208且加速至陽極燐光體層203。陽極212及陰 極2 1 1間的間隙及所用的加速電壓係取決於所用CN T材 料204的品質以及有效率地活化燐光體203所需的電子能 量。典型地，需要5〇〇〇伏或更高的電子能量以有效地活 化燐光體：較佳爲10, 〇〇〇伏。超過10,000伏-12,000伏 時，燐光體效率甚至會更高，不過也可能產生X-射線， 其可能爲有害者’且因此需要避免。可以選擇一可隔絕 9 X -射線但是可讓u V光通過的玻璃材料。於所有情況中， 陽極212的玻璃201可讓UV光209通過。 於一具體實例中，如所示者，光通過陽極玻璃201， 但其他組態（未顯示出）可讓光通過陰極表面206,且將 陽極表面製成反射性而讓儘可能多的光通過陰極表面 206。於又另一組態中，UV光可同時通過陽極與陰極兩基 材。換言之’可讓陽極表面產生的UV光通過陽極及陰極 兩者表面。圖4示出此一具體實例，其中於一清淨器內施 用二極組態燈2 0 0 ’類似於圖1所示者，不同處在於配置 1344384 k， (8) —背對背的燈200取代UV燈】〇 1。換言之，該背對背的 燈包括兩個以其對應陰極背對背配置的UV燈200使得 . UV光209朝向清淨器表面1 〇2射出。其他方面，圖4所 示裝置都是相似於圖1所示者而操作。 UV發射燐光體203可在陽極表面爲連續者或其可能 經像素化成爲分開的斑點或成一圖案。該圖案與陰極內所 製的任何圖案可能相合或可能不相合。 # 前面係描述一個二極燈。於另一具體實例中，可能使 用三極燈。三極燈類似於二極燈，但具有一或更多的電極 以控制從陽極加速電壓分出的電子發射電流。一個三極組 態可具有一金屬網與一經安置在陰極及陽極之間而接近於 陰極的穿孔金屬幕。此金屬網具有相對於陰極的足夠正偏 電壓使得其可在陰極設置具有足夠強度以從奈米碳管發射 極拉出電子的電場。該偏壓係取決於在陰極及金屬網之間 的間隙，不過1伏/微米至2 0伏/微米的標稱電場強度常爲 # 足夠的電場強度。從陰極抽出的一些電子接著通過金屬網 中的洞且經由陽極電位（典型地在二極燈內爲5000伏至 20，0 00伏，不過其他電壓也可使用）加速至陽極。 其他的三極組態可具有在陰極上方側邊的閘電極。於 此組態中，閘電極可爲金屬膜或印刷金屬層。閘電極的表 現與在金屬網三極組態中者極爲相似。此組態在閘極上可 能需要更多的電位，但其可攔截一較少量的陰極發射電流 且因此變得更有效率。於場發射裝置中使用閘電極係眾所 皆知者。 -11 - 1344384 k (9) 又另一三極組態爲二極組態與三極組態的混合，其中 的陰極線係交指型者（i n t e r d i g i t a t e d )。於此情況中，係 以一正弦電壓驅動兩條陰極線；於一半周期內，一組陰極 線作用爲陰極，另一組線作爲栅極：在另一半周期內，兩 組線間的角色逆反。需要由陽極上的電位提供一強電場； 陽極電場應接近沉積在兩組線上的奈米碳管發射極所具的 底限場。 • 於某些具體實例中，燈可能需要冷卻。燈可由一風扇 (未顯示出）所驅使強制跨過燈之空氣流予以冷卻。於其 他具體實例中，該燈可經由將燈與一熱導體接觸以將熱傳 輸掉而冷卻。該熱導體可具有鰭片或其他大表面積結構以 藉由對流或強制空氣協助熱移除》在空氣清淨器或水清淨 器情況中，由光催化劑所清潔空氣或水也可提供對燈的冷 卻。 圖3示出一呈管燈泡組態的場發射燈300 »較外層玻 • 璃燈泡302可具傳導性或其可在內側表面上塗覆一傳導性 薄膜306以將電荷帶走至電源305。該電源305可爲交流 電或直流電者。未經顯示的是燈泡末端以製造一精密封的 燈泡，其經抽取空氣至1 (Γ5托或更佳數量級。該燐光體塗 層3 06可如先前所述予以鋁化（aluminized)(未顯示於 此圖中）。一具有將外部表面以CNTs或另一種場發射材 料塗覆的中央針傳導性陰極3 0 1，發射出電子3 03至一玻 璃燈泡302的內部表面306。該內部表面306包括一UV 發射性燐光體，其在電子3 0 3撞擊該燐光體3 0 6時產生 -12- (10) 1344384 υν光304。電源305提供一介於中央針導電陰極3〇】與 外部燈泡陽極3 02之間的偏壓。 - 本發明另—具體實例係使用碳纖維或碳布來沉積或生 長Τι〇2光催化性物質。碳纖維材料可爲以瀝青爲基底或 以PAN爲基底的碳纖維或爲單壁或多壁式奈米碳管材 料。碳纖維可進一步編織成布或蓆（mat)，或者可使用 碳纖維材料紙。可在製造布或紙之前或之後在纖維上沉積 鲁 丁丨〇2。布或紙可爲多孔者以讓空氣或水通過。不.同種類的 碳纖維布可得自不同的供應商，例如Cytec。該布也可爲 經斬切過的碳纖維或奈米碳管之紙。其甚至可不完全爲碳 而可部分爲碳材料’包括石墨、碳纖維、奈米碳管、碳粒 和石墨’及部分爲其他材料例如，玻璃纖維。圖I顯示出 如何使用此種布作爲材料1 0 2 〇碳表面也需鈍化以在用 UV光1 03活化時防止Ti02被蝕刻掉。此鈍化層可具有導 電性 '半導電性或絕緣性。一個可能的例子爲在碳的表面 # 上使用Ti金屬。 雖然已經詳細說明過本發明及其優點，不過應了解 者，其中可作出各種改變’取代及變更而不違離後附申請 專利範圍所界定的本發明內涵和範圍。 【圖式簡單說明】 爲了對本發明及其優點更完整的了解，至此要參考下 面配合所附圖式之說明，其中： 圖1示出一使用Ti 〇2及紫外線光源的空氣純化系統 -13- ^ (11) 1344384 之圖解； 圖2示出根據本發明一具體實例使用冷陰極和UV發 射燐光體的UV燈之二極組態； 圖3示出根據本發明一具體實例於一管燈組態中的場 發射燈； 圖4示出本發明一具體實例； 圖5示出一燐光體強度圖形；及 φ 圖6示出玻璃在UV範圍內的透明度圖形。 【主要元件符號說明】 1 01 : UV螢光燈 】02 :過濾器（板） 103，209, 304 : UV 光 104 :側道 1 0 5 :不乾淨空氣 # I 〇 6 :乾淨空氣 200 :燈 201,206:玻璃基板 2 0 2 :透明材料層 203 :燐光體材料 204 : CNT層（冷陰極材料） 2 0 5 :導電材料 2 0 7 :側壁 208, 3 03 :能量電子 1344384 l (12) 2 1 Ο :電偏壓 21 1 , 301 :陰極 2 1 2 :陽極 3 00 :場發射燈 3 0 2 :外玻璃燈泡 3 0 5 :電源 306:傳導性薄膜

Claims (1)

1344384 十、申請專利範圍 附件2 : 第94 1 3 8436號專利申請案 中文申請專利範圍替換本 民國97年10月2日修正 1 · 一種用於空氣或水的光催化清淨器，其包括： 光催化劑材料，其係塗覆於基材； 陽極，經配置在距該基材預定的距離處，其包含有對 電子撞擊呈反應而發射紫外光之燐光體：及 場發射陰極，經配置在距陽極預定的距離處，其可操 作對電場反應而發射電子。 2.根據申請專利範圍第1項的光催化清淨器，其中該 場發射陰極進一步包含以碳爲底的場發射極材料以發射電 子。 3 .根據申請專利範圍第2項的光催化清淨器，其中該 以碳爲底的場發射極材料包含奈米碳管。

4. 根據申請專利範圍第3項的光催化清淨器，其中該 場發射陰極和陽極係經以二極燈的組態彼此相對地配置。 5. 根據申請專利範圍第3項的光催化清淨器，其中該 場發射陰極和陽極係經以三極燈的組態彼此相對地配置。 6. 根據申請專利範圍第4項的光催化清淨器，其中該 二極燈的組態形成矩形燈。 7. 根據申請專利範圍第4項的光催化清淨器，其中該

8 . —種光催化裝置，其包括： 1344384 光催化物質： 陽極，經配置在距該光催化物質預定的距離處，其包 含燐光體：及 場發射陰極，經配置在距該陽極預定的距離處，其可 操作對電場反應而朝燐光體發射電子。 9 ·根據申請專利範圍第8項的光催化裝置，其中該場 發射陰極進一步包含以碳爲底的場發射極材料以發射電 子。 1 〇 ·根據申請專利範圍第9項的光催化裝置，其中該 以碳爲底的場發射極材料包含奈米碳管。 1 1 ·根據申請專利範圍第8項的光催化裝置，其中該 場發射陰極和陽極係經以二極燈的組態彼此相對地配置。 1 2 .根據申請專利範圍第8項的光催化裝置，其中該 場發射陰極和陽極係經以三極燈的組態彼此相對地配置。 1 3 .根據申請專利範圍第1 2項的光催化裝置，其中該 三極燈的組態形成矩形燈。 1 4.根據申請專利範圍第1 2項的光催化裝置，其中該 三極燈的組態形成圓柱狀燈。 1 5 . —種使流體潔淨的方法，其包括下列步驟： 利用電場啓動場發射極使得該場發射極朝向燐光體發 射電子； 燐光體對該場發射極所發射電子之撞擊反應而發射紫 外光； 光催化物質受到該燐光體所發射紫外光之撞擊所活 -2- 1344384 化；及 使流體通過且與該光催化物質接觸。 1 6.根據申請專利範圍第1 5項的方法，其中該場發射 極包含以碳爲底的場發射極。 1 7 .根據申請專利範圍第1 6項的方法，其中該以碳爲 底的場發射極包含奈米碳管。

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