包括金/二氧化鈦光催化劑的空氣淨化系統的製作方法
2023-12-02 05:18:16
專利名稱：包括金/二氧化鈦光催化劑的空氣淨化系統的製作方法
背景技術：
本發明一般性地涉及金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑塗層，其具有納米尺寸的金顆粒，氧化包括揮發性有機化合物和一氧化碳的吸附在表面上的氣體汙染物，以形成二氧化碳、水和其它物質。
室內空氣可包括痕量汙染物，汙染物包括一氧化碳和揮發性有機化合物，如甲醛、乙醛、甲苯、丙醛和丁烯。吸收性空氣過濾器如活性炭，已被用來從空氣中除去這些汙染物。當空氣流過過濾器時，過濾器阻塞汙染物的通過，使得不含汙染物的空氣從過濾器流出。使用過濾器的缺點是，它們只是阻塞汙染物的通過，並沒有消滅它們。此外，空氣過濾器不能有效地阻塞一氧化碳。
二氧化鈦已被用作空氣淨化器中的光催化劑，以消滅汙染物。當二氧化鈦被紫外光照射時，光子被二氧化鈦吸收，將電子從價帶激發到導帶，由此在價帶中產生空穴並在導帶中加入電子。被激發的電子與氧反應，保留在價帶中的空穴與水反應，形成活性氫氧基自由基。當汙染物吸附到二氧化鈦催化劑上時，氫氧基自由基進攻汙染物並將汙染物氧化成水、二氧化碳和其它物質。
摻雜的或金屬氧化物處理的二氧化鈦增加二氧化鈦光催化劑的效力。但是，二氧化鈦和摻雜的二氧化鈦在氧化一氧化碳時無效。一氧化碳(CO)是無色、無味和有毒氣體，由烴燃料的不完全燃燒產生。一氧化碳比任何其它毒物導致更多的死亡，在封閉的環境中特別危險。一氧化碳由基於碳的燃料如煤油、天然氣、汽油、丙烷、丁烷等和有機物質如木材、紙等的不完全燃燒產生。一氧化碳可在室內空氣中由於不適當的通風、抽菸，或在室外空氣中的汽車排放而增多。一氧化碳中毒可在長時間的少量一氧化碳存在下發生。敏感的器官如大腦、心臟和肺因缺氧而損害最嚴重。EPA要求的平均八小時下的暴露設為30ppm。
因此，需要氧化氣體汙染物的光催化劑/熱催化劑塗層，該塗層將吸附在表面上的包括揮發性有機化合物和一氧化碳的氣體汙染物氧化成二氧化碳、水和其它物質。
發明概述在基體上的金/二氧化鈦光催化/熱催化塗層，通過將吸附在該塗層上的任何汙染物氧化成水、二氧化碳和其它物質而淨化建築物或交通工具中的空氣。金顆粒是納米尺寸的，其尺寸小於3納米。
通風機將空氣吸入空氣淨化系統中。空氣流過開口的通道或蜂窩件通道。蜂窩件表面被金/鈦塗層塗覆。紫外光源置於連續的蜂窩件之間，活化金/二氧化鈦塗層。
當紫外光的光子被金/二氧化鈦塗層吸收時，形成活性氫氧基自由基。當汙染物，如揮發性的有機化合物，被吸附到金/二氧化鈦塗層上時，氫氧基自由基進攻汙染物，從汙染物中提出氫原子，並將揮發性的有機化合物氧化成水、二氧化碳和其它物質。
在室溫下，金/二氧化鈦塗層將一氧化碳氧化成二氧化碳，同時氧化有害的揮發性有機化合物。當一氧化碳吸附在塗層上時，金用作氧化催化劑，並降低一氧化碳的能壘，在氧存在下將一氧化碳氧化成二氧化碳。此外，二氧化鈦表面上的金顆粒降低電子和空穴的再結合率，增加塗層的光催化活性。金/二氧化鈦塗層同時用作光催化劑和熱催化劑。
二氧化鈦也可用金屬氧化物摻雜，以使金顆粒固定在二氧化鈦的表面上，防止金顆粒移動，金顆粒的移動會降低光催化劑/熱催化劑的效力。
從以下說明書和附圖，將更好地理解本發明的這些和其它特點。
附圖簡述從以下目前優選的實施方案的詳細描述，對本領域技術人員，本發明的各種特點和優點將變得更明顯。伴隨詳細描述的附圖可被簡述如下
圖1示意地說明了封閉的環境，如建築物、交通工具或其它結構，包括內部空間和HVAC系統；圖2示意地說明了本發明的空氣淨化系統；和圖3示意地說明了空氣淨化系統的蜂窩件。
優選實施方案的詳述圖1示意地說明了建築物、交通工具或其它結構10，其包括內部空間12，如房間、辦公室或交通工具的艙，如小汽車、火車、公共汽車或飛機。HVAC系統14加熱或冷卻內部空間12。內部空間12中的空氣通過路徑16進入HVAC系統14。HVAC系統14改變從內部空間12吸入空氣16的溫度。如果HVAC系統14以冷卻模式運行，則冷卻空氣。或者，如果HVAC系統14以加熱模式運行，則加熱空氣。然後空氣通過路徑18返回到內部空間12，從而改變內部空間12中的空氣溫度。
圖2示意地說明了空氣淨化系統20，其通過將汙染物，如揮發性有機化合物、半揮發性有機化合物和一氧化碳，氧化成水、二氧化碳和其它物質而淨化建築物或交通工具10中的空氣。例如，揮發性有機化合物可為醛、酮、醇、芳香族化合物、烯烴或烷烴。空氣淨化系統20可在空氣沿路徑16吸入HVAC系統14中之前，淨化空氣，或者它可在空氣沿路徑18吹入建築物或交通工具10的內部空間12中之前，淨化離開HVAC系統14的空氣。空氣淨化系統20也可為單獨的單元，不與HVAC系統14一起使用。
通風機34通過入口22將空氣吸入空氣淨化系統20中。空氣流過顆粒過濾器24，顆粒過濾器24通過阻塞灰塵或任何其它大顆粒的流動，過濾出這些顆粒。然後空氣流過基體28，如蜂窩件。在一個實施例中，蜂窩件28由鋁或鋁合金製成。圖3示意地說明了蜂窩件28的前視圖，蜂窩件28具有許多六邊形開口通道30。許多開口通道30的表面被金/二氧化鈦光催化/熱催化塗層40塗覆。當被紫外光活化時，塗層40氧化吸附到金/二氧化鈦塗層40上的揮發性有機化合物。如下所述，當空氣流過蜂窩件28的開口通道30時，吸附到金/二氧化鈦塗層40表面上的汙染物被氧化成二氧化碳、水和其它物質。
置於連續的蜂窩件28之間的光源32活化開口通道30表面上的光催化塗層40。如圖所示，蜂窩件28和光源32在空氣淨化系統20中交替設置。也就是說，在每個蜂窩件28之間設有光源32。優選地，光源32為紫外光源，其產生波長為180納米～400納米的光。
光源32照射以活化蜂窩件28表面上的金/二氧化鈦塗層40。當紫外光的光子被金/二氧化鈦塗層40吸收時，將電子從價帶激發到導帶，在價帶中產生空穴。金/二氧化鈦塗層40必須在氧和水存在下，將汙染物氧化成二氧化碳、水和其它物質。被激發到導帶的電子被氧捕獲。價帶中的空穴與吸附到金/二氧化鈦塗層40上的水分子反應，形成活性氫氧基自由基。
當汙染物被吸附到塗層40上時，氫氧基自由基進攻汙染物，從汙染物中提出氫原子。在此方法中，氫氧基自由基氧化汙染物，並產生水、二氧化碳和其它物質。
在二氧化鈦表面上高度分散的金顆粒降低電子和空穴的再結合率，增加塗層的光催化活性。在一個實施例中發現，金/二氧化鈦比純的二氧化鈦使甲醛氧化的光催化反應率增加約40％。為了提高光催化性能，金顆粒是納米分散的。優選地，金顆粒的尺寸小於3納米。對於熱催化作用，金顆粒的尺寸對一氧化碳氧化活性也是關鍵的，其取決於形成為非常小的納米顆粒的金。
在室溫下，金/二氧化鈦塗層40在氧存在下，將一氧化碳氧化成二氧化碳，同時氧化有害的揮發性有機化合物。當一氧化碳吸附在塗層上時，金/二氧化鈦用作熱氧化催化劑，並降低一氧化碳的能壘，在氧存在下將一氧化碳氧化成二氧化碳。二氧化鈦是金顆粒的有效載體，金顆粒對低溫一氧化碳氧化是活性的。因此，金/二氧化鈦光催化/熱催化塗層同時用作光催化劑和熱催化劑。
一氧化碳氧化主要在金顆粒的周邊界面上發生。一氧化碳吸附在金的表面或周邊位置上以形成羰基物類。氧吸附在金/二氧化鈦表面上。據信，氧吸附到周邊界面上。周邊位置上的羰基物類與氧反應，形成氧-金-一氧化碳複合物。該複合物分解以產生二氧化碳。
優選地，雙功能催化劑的載體是二氧化鈦。在一個實施例中，二氧化鈦是Millennium二氧化鈦、Degussa P-25或等效的二氧化鈦。但是，應該理解，可使用其它光催化材料或二氧化鈦與其它金屬氧化物的組合，只要它們對熱催化功能/一氧化碳氧化是活性載體。例如，光催化材料可為Fe2O3、ZnO、V2O5、SnO2或FeTiO3。此外，其它金屬氧化物可與二氧化鈦混合，如Fe2O3、ZnO、V2O5、SnO2、CuO、MnOx、WO3、Co3O4、CeO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3或NiO。
二氧化鈦也可用金屬氧化物負載，以進一步提高塗層40的光催化和熱催化效力。金傾向於在二氧化鈦的表面上移動以形成大簇。由於金顆粒的移動，可能降低金/二氧化鈦塗層40的效力。通過在二氧化鈦表面上負載金屬氧化物，金屬氧化物可分隔金顆粒，防止它們移動和形成大簇，從而增加金/二氧化鈦塗層40的效力。優選地，使用金屬氧化物以使金顆粒固定在二氧化鈦表面上。在一個實施例中，金屬氧化物為WO3、ZnO、CdS、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnOx、Cr2O3或ZrO2。
此外，納米尺寸的含金混合金屬顆粒可負載在二氧化鈦載體上。該金屬可為銀、銠、釕、鈀、銥、鋨、鉑或錸中的一種或多種。
在通過蜂窩件28之後，淨化的空氣隨後通過出口36離開空氣淨化器。空氣淨化系統20的壁38優選襯以反射材料42。反射材料42將紫外光反射到蜂窩件28的開口通道30的表面上。
金/二氧化鈦塗層的催化性能受製備方法影響。金的催化活性取決於形成為納米顆粒的金。金的納米顆粒可通過任何方法產生，包括共沉澱、沉積-沉澱、液相移植、膠態混合、浸漬或化學氣相沉積。
在共沉澱方法中，催化劑這樣製備在室溫或稍微高的溫度下，並在恆定pH下，使金前體的水溶液與鈦前體的水溶液混合。過濾沉澱物，用蒸餾水徹底洗滌，在真空下、70℃乾燥過夜。乾燥之後，在200℃～500℃煅燒產物，形成乾燥的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑。
在沉積-沉澱方法中，將二氧化鈦粉末懸浮在含期望量HAuCl4的蒸餾水中。向混合物中緩慢加入脲，然後將混合物加熱至80℃～90℃，使脲分解以釋放NH4OH(氫氧化銨)和二氧化碳，由此增加混合物的pH。pH的緩慢增加導致Au(OH)3均勻沉澱到二氧化鈦的表面上。在蒸餾水中徹底洗滌樣品，以除去殘留的氯離子。然後將樣品在真空下、70℃乾燥過夜。然後在200℃～500℃的溫度下煅燒樣品，以形成乾燥的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑。沉積-沉澱方法的優點是，所有活性組分保留在二氧化鈦載體的表面上，而沒有埋在它的裡面。
在液相接枝方法中，溶液中的金複合物與載體如二氧化鈦的表面反應，形成可轉化為催化活性形式的物類。Me2Au可用作金前體。將前體溶解在丙酮中，然後向溶劑中加入二氧化鈦。使此混合物沉降，從而金前體吸附到金屬氧化物表面上。然後過濾混合物，並在400℃下煅燒4小時。
為了在蜂窩件28上塗覆雙功能催化劑，向乾燥的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑中加入水，以形成懸浮液。通過噴塗、電泳或浸塗，將懸浮液施塗到蜂窩件28的表面上，以形成金/二氧化鈦塗層40。在施塗懸浮液之後乾燥懸浮液，在蜂窩件28上形成均一的金/二氧化鈦塗層40。
雖然已經說明和描述了蜂窩件28，但是應該理解，可將金/二氧化鈦塗層40施塗到任何結構上。蜂窩件28中的空間通常是六邊形的，但是應該理解，可使用其它空間形狀。當在光源存在下，汙染物吸附到所述結構的金/二氧化鈦塗層40上時，汙染物被氧化成水、二氧化碳和其它物質。
以上描述僅是本發明原理的示例。根據以上教導，本發明的許多改進和變化是可能的。但是，已公開了本發明的優選實施方案，所以本領域技術人員將認識到，在本發明範圍內可進行某些改進。因此，應該理解，在附加的權利要求範圍內，本發明可在具體所述之外實施。因此，應該研究以下權利要求，以確定本發明的實際範圍和內容。
權利要求
1.空氣淨化系統，包括基體；施塗到所述基體上的金/二氧化鈦塗層，並且所述的金/二氧化鈦塗層包括在二氧化鈦上的納米尺寸的金；和活化所述金/二氧化鈦塗層的光源，並且當被所述的光源活化時，所述的金/二氧化鈦塗層氧化吸附到所述金/二氧化鈦塗層上的汙染物。
2.如權利要求1所述的空氣淨化系統，其中所述的金的尺寸小於3納米。
3.如權利要求1所述的空氣淨化系統，其中所述的光源是紫外光源。
4.如權利要求1所述的空氣淨化系統，其中來自所述光源的光子被所述的金/二氧化鈦塗層吸收，形成活性氫氧基自由基，該氫氧基自由基在氧和水存在下，使汙染物氧化成水和二氧化碳。
5.如權利要求1所述的空氣淨化系統，其中所述的汙染物是揮發性有機化合物和半揮發性有機化合物的一種，包括醛、酮、醇、芳香族化合物、烯烴或烷烴中的至少一種。
6.如權利要求1所述的空氣淨化系統，其中所述的金/二氧化鈦塗層在室溫下使一氧化碳氧化成二氧化碳。
7.如權利要求1所述的空氣淨化系統，其中所述的金/二氧化鈦催化塗層還包括摻雜劑，該摻雜劑防止所述的金在所述的二氧化鈦表面上移動。
8.如權利要求7所述的空氣淨化系統，其中所述的攙雜劑為金屬氧化物。
9.如權利要求8所述的空氣淨化系統，其中所述的金屬氧化物為WO3、ZnO、CdS、SrTiO3、Fe2O3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、MnOx、Cr2O3和ZrO2中的至少一種。
10.如權利要求1所述的空氣淨化系統，其中所述的基體是被固體壁分隔的空間陣列。
11.如權利要求1所述的空氣淨化系統，還包括外殼，該空氣淨化系統在所述的外殼中，所述外殼的壁襯以反射材料。
12.如權利要求1所述的空氣淨化系統，其中該空氣淨化系統是在室溫下。
13.如權利要求1所述的空氣淨化系統，其中所述的納米尺寸的金是納米尺寸的含金的混合金屬顆粒。
14.如權利要求13所述的空氣淨化系統，其中所述的納米尺寸的含金的混合金屬顆粒包括銀、銠、釕、鈀、銥、鋨、鉑和錸中的至少一種。
15.空氣淨化系統，包括具有入口和出口的容器；在所述容器中的多孔基體；一種裝置，用於通過所述入口將流體吸入所述的容器，使所述的流體流過所述的多孔基體，並通過所述的出口使所述的流體排出所述的容器；施塗到所述基體上的金/二氧化鈦催化塗層，所述的金/二氧化鈦塗層包括在二氧化鈦上的納米尺寸的金，所述的金降低一氧化碳的能壘，以使所述的一氧化碳氧化成二氧化碳；和活化所述催化塗層的紫外光源，來自所述紫外光源的光子被所述的金/二氧化鈦催化塗層吸收，形成活性氫氧基自由基，當被所述的紫外光源活化時，所述的活性氫氧基自由基在水和氧存在下，使被吸附到所述金/二氧化鈦催化塗層上的所述流體中的汙染物氧化成水和二氧化碳。
16.淨化空氣的方法，包括以下步驟將金/二氧化鈦催化塗層施塗到基體上，所述的金/二氧化鈦塗層包括在二氧化鈦上的納米尺寸的金；活化所述金/二氧化鈦催化塗層；形成活性氫氧基自由基；使汙染物吸附到所述的金/二氧化鈦催化塗層上；用所述的氫氧基自由基氧化所述的汙染物；用所述的金/二氧化鈦催化塗層的所述金，降低一氧化碳的能壘；和然後氧化所述的一氧化碳。
全文摘要
金/二氧化鈦光催化/熱催化塗層，同時使吸附到塗層上的揮發性有機化合物和一氧化碳氧化成水、二氧化碳和其它物質。金的尺寸小於3納米。當紫外光的光子被金/二氧化鈦塗層吸收時，形成活性氫氧基自由基。當汙染物吸附到金/二氧化鈦塗層上時，氫氧基自由基氧化汙染物，以產生水、二氧化碳和其它物質。金是氧化催化劑，其降低一氧化碳的能壘，以使一氧化碳氧化成二氧化碳。因此，金/二氧化鈦塗層也可同時使一氧化碳氧化成二氧化碳。
文檔編號B01D53/86GK1805789SQ200480016765
公開日2006年7月19日 申請日期2004年6月14日 優先權日2003年6月19日
發明者D·魏, T·H·范德斯普特, T·N·奧比, S·O·海, W·R·施米特 申請人:開利公司