專利名稱：空氣凈化系統(tǒng)的制作方法
空氣凈化系統(tǒng)
公開背景
1. 公開領(lǐng)域
本公開一般涉及空氣凈化系統(tǒng)。更具體地說，本公開涉及空氣凈 化裝置或系統(tǒng)，其包括抵抗或減緩光催化劑材料的失活的光催化劑。
2. 相關(guān)技術(shù)描述
建筑物可以使用空氣凈化系統(tǒng)來提高室內(nèi)空氣的質(zhì)量，從而使建 筑物工作者減少與室外環(huán)境的空氣流通，創(chuàng)造更干凈的室內(nèi)環(huán)境，或 兩者皆有。通常通過使用氣態(tài)污染物去除技術(shù)的空氣凈化來提高室內(nèi) 空氣的質(zhì)量。光催化是已經(jīng)被證實(shí)了用于去除氣態(tài)空氣傳播的物質(zhì)，
如包括甲苯、甲醛和其它的氣源污染物的揮發(fā)性有機(jī)化合物(voc)的技術(shù)。
光催化空氣凈化器使用含有光催化劑的基材或筒，當(dāng)^支放置在合 適的光源下時(shí)，光催化劑與空氣中的氧氣和水分子相互作用從而形成 羥基自由基。然后，該自由基攻擊污染物，并且起始將污染物轉(zhuǎn)為有 害性減少的化合物(如水和二氧化碳)的氧化反應(yīng)。還認(rèn)為水蒸氣、合 適的高能光子和光催化劑的結(jié)合還產(chǎn)生如過氧化氫的活性氧劑，其可 以經(jīng)過離其源頭幾微米的距離進(jìn)行作用。該活性劑也有助于有機(jī)污染 物的氧化。
光催化劑的失活限制了光催化空氣凈化器的效力。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，目 前可用的系統(tǒng)隨時(shí)間表現(xiàn)出催化能力的顯著喪失。由于與清潔和/或置 換光催化劑筒相關(guān)的勞動(dòng)和設(shè)備成本，這會(huì)造成對(duì)于空氣凈化系統(tǒng)的 使用者的巨大花費(fèi)。
因此，需要可以抵抗一般的失活和/或抵抗由于污染物濃度的突然
3和/或持續(xù)上升而失活的空氣凈化系統(tǒng)或光催化劑。 公開簡(jiǎn)述
本公開提供包括基材和至少一層光催化劑的空氣凈化系統(tǒng)。該光 催化劑還包括許多金屬簇。該金屬簇可以包括貴金屬。
在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬簇在整個(gè)光催化劑層中平均分布。在另 一個(gè)實(shí)施方案中，金屬簇在整個(gè)光催化劑層中不均勻濃集。光催化劑 層還可以涂覆有布置成多孔結(jié)構(gòu)的光催化劑層，并且涂覆有對(duì)紫外光 透明的高表面積的合適的低傳質(zhì)阻力物質(zhì)層。
從以下的詳細(xì)介紹、附圖和所附的權(quán)利要求，本領(lǐng)域的一般技術(shù) 人員會(huì)認(rèn)識(shí)并且理解本公開的以上所介紹的和其它的特性和優(yōu)勢(shì)。
附圖簡(jiǎn)述


圖1顯示了示例實(shí)施方案的蜂窩結(jié)構(gòu)的頂視圖，該蜂窩結(jié)構(gòu)可以
被用作本公開的空氣凈化單元中的基材；
圖2顯示了沿著圖1的線2-2所取的截面圖； 圖3是圖l的環(huán)3的展開圖4顯示了具有本公開的示例實(shí)施方案光催化劑層的空氣凈化系 統(tǒng)；并且
圖5顯示了具有本公開的第二示例實(shí)施方案光催化劑層的空氣凈 化系統(tǒng)。
公開詳述
本公開的空氣凈化單元包括基材，該基材具有在其上分布的許多 光催化劑。這些光催化劑可以后面所介紹的方式加載許多金屬我(raft) 或簇。這些金屬簇會(huì)防止光催化劑在VOC的突發(fā)濃度峰值或VOC的 持續(xù)高濃度的過程中(無論光源開啟或關(guān)閉)凈皮壓制。
本公開已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光催化劑會(huì)被有機(jī)污染物，如乙醇、異丙醇和其 它的對(duì)催化表面具有高親和力的物質(zhì)或氣態(tài)化合物(當(dāng)被氧化時(shí)，該氣態(tài)化合物形成永久阻塞催化劑的活性位點(diǎn)的化合物或部分)壓制。該化 合物不能去除，除非通過外來劑進(jìn)行作用，如用清潔劑，或?qū)⒃摶?物從光催化劑表面脫除。
當(dāng)voc濃度非常高時(shí)，當(dāng)光源開啟時(shí)，這些濃度可能過高以致
光催化劑不能跟上，并且/或光催化劑不能與空氣傳播的水分子相互作 用而形成足夠的羥基自由基從而保持活性位點(diǎn)可用于進(jìn)一步的反應(yīng)。
當(dāng)voc濃度長(zhǎng)時(shí)間升高，當(dāng)光源被關(guān)掉時(shí)，這種現(xiàn)象也可能發(fā)生。
然后，污染物可以相互反應(yīng)形成漆膜，其占據(jù)光催化劑位點(diǎn)并且阻礙 光催化劑氧化污染物的能力。
本公開的金屬簇被展開于光催化劑中用于voc的分解或最小化， 從而保證光催化劑不被過早地失活或消耗。該簇使其它的表面反應(yīng)在 污染物濃度的突發(fā)峰值的過程中或當(dāng)光源被關(guān)掉時(shí)能夠進(jìn)行，并且提 高對(duì)高分子量有機(jī)表面污染物的氧化破壞，否則其會(huì)通過阻塞光催化 劑表面位點(diǎn)來抑制或毒害正常的光催化氧化。這樣的突發(fā)事件一般包
括污染物濃度的突然升高，舉例來說，升高到大約百萬分之十(ppm)， 其中光催化劑則在大約lppm的污染物水平操作。該簇還可以在沒有 光的存在下氧化污染物，與光催化劑不同。金屬簇祐j殳計(jì)成通過后面 進(jìn)一步詳細(xì)討論的過程來阻礙或防止由于有機(jī)污染物的光催化劑失 活。
因此，在本公開中，極高度分散的金屬簇的催化氧化活性對(duì)破裂 任何有機(jī)漆膜或覆蓋層有巨大的作用，該有機(jī)漆膜或覆蓋層是由于光 催化劑暴露于高于光催化劑可以容易地氧化的濃度的有機(jī)氣體造成 的。另外，當(dāng)空氣凈化單元被關(guān)閉并且光源被關(guān)掉時(shí)，該氧化活性可 以持續(xù)。這是重要的，因?yàn)楫?dāng)該單元被重新啟動(dòng)時(shí)，在金屬微粒附近 的清潔了的光催化位點(diǎn)產(chǎn)生活性氧物質(zhì)，活性氧物質(zhì)可以攻擊金屬凝: 粒之間的有機(jī)漆膜。
可以通過在合適的基材之上鋪設(shè)或放置一種或多種光催化劑來 形成抗失活光催化劑。參考圖1-3，顯示了包括許多六角形單元110
5的蜂窩基材100。單元110具有單元壁115。單元壁115的每一側(cè)都 涂覆有光催化劑層120。六角形設(shè)計(jì)會(huì)是最有成本效益的，但是也可 以使用正方形、矩形或三角形單元。理想的是基材100包括薄的低成 本的材料，該材料抵抗紫外光(UV)和空氣降解，具有能夠連接光催化 材料的表面。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，基材100由鋁形成。但是，本公 開考慮到使用其它任何適合的能夠支持光催化劑的用于基材的材料。
參考圖4和5,顯示了具有單元壁115和光催化劑層120的蜂窩 基材100的展開圖。光催化劑表面上的亞納米貴金屬簇優(yōu)選以少量存 在。因?yàn)樵摯匚展?，位于暴露于光源的光催化劑的表面特定深度?簇的濃度必須被校準(zhǔn)，這樣由于金屬筏的光吸收不會(huì)防止足量的光到 達(dá)光催化劑。光催化劑層120中存在的金屬簇的量?jī)?yōu)選為總重量的約 1%或更少。這個(gè)濃度可以在整個(gè)光催化劑層120都是基本一致的，如 圖4中所示，或可以成梯度或非均勻的，如圖5所示。
在圖4中所示的實(shí)施方案中，金屬簇在整個(gè)光催化劑層120中以 約0.1%重量的量存在。在圖5中所示的實(shí)施方案中，金屬簇在最接近 暴露于周圍空氣和光源的光催化劑層120的表面的區(qū)域130中是約 0.1%重量到約0.3%重量的濃度，在最接近基材壁115的第二區(qū)140 中是約1.5%重量到約2%重量的濃度。在這個(gè)實(shí)施方案中，光催化劑 層120可以為6微米深，區(qū)域130和第二區(qū)140可以為0.5微米深。
光被光催化領(lǐng)域中 一般技術(shù)人員所熟知的方式引入到光催化劑 層120。本公開中使用的光源優(yōu)選為UV光源。
在圖4和圖5的實(shí)施方案中的任意一個(gè)中，簇濃度優(yōu)選進(jìn)行選擇， 以使約25%的光催化劑釋放的氣相活性氧化合物(舉例來說，過氧化氬) 會(huì)維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間從而與由于升高的VOC濃度形成的任何含碳層 進(jìn)行反應(yīng)。這取決于選擇的特定的金屬對(duì)于光催化劑釋放的活性氧化 合物的親和力?？諝庵写嬖诘腣OC水平和環(huán)境的嚴(yán)重性也是確定光 催化劑中簇濃度的重要因素。
本公開優(yōu)選的光催化劑是二氧化鈦，例如但不限于DegussaP25。光催化劑還可以包括合適地?fù)诫s的二氧化鈦，其中摻雜物提高它的光 催化活性，和金屬氧化物接枝的二氧化鈦催化劑，例如但不限于氧化 鵠接枝的二氧化鈦。本公開還考慮到使用其他的光催化劑，例如但不 限于氧化鋅、氧化錫或氧化鈦、氧化鋅和氧化錫的任何混合物。
納米金屬簇在光催化劑晶體(在它們被鋪設(shè)到基材100的單元壁
115上之前)上的沉積可以通過化學(xué)方法和/或從膠體溶液進(jìn)行，盡管本 公開也考慮了其它沉積方法。將金屬簇施加到光催化劑晶體的化學(xué)方 法可以包括通過本領(lǐng)域一般技術(shù)人員已知的任何方法將前體引入到 光催化劑，該前體是金屬鹽或絡(luò)合物，如H2PtCls、 [(NH3)4Pt](N03)、 H2AuCl4或其他合適的化合物。這些方法可以包括將前體溶解在合適 的溶劑中，如水或合適的有機(jī)溶劑，調(diào)整pH,與光催化劑粉末進(jìn)行 混合，干燥，任選煅燒，還可任選在含氫氣氛中還原，并且鈍化?？?以在光催化劑粉末接觸金屬前體溶液之前或期間使用合適的分散助 劑溶液，例如但不限于三乙醇胺或酒石酸。可以同時(shí)或依次地引入超 過一種的金屬。煅燒、還原和鈍化這些步驟對(duì)于本領(lǐng)域的一搬技術(shù)人 員是熟知的，從而將金屬鹽或絡(luò)合物轉(zhuǎn)化為光催化劑表面上高度分散 的金屬簇。
或者，作為膠體懸浮體預(yù)先形成的納米金屬或混合金屬簇可以被 施加于光催化劑粉末。光催化劑和懸浮體中的金屬簇可帶有相反電荷 并且進(jìn)行混合，以使簇在光催化劑晶體上均勻分散。為了幫助這些納 米簇的均勻分散，光催化劑粉末可以首先用檸檬酸銨、檸檬酸或明膠 溶液等進(jìn)行處理。在光催化劑晶體與膠體懸浮體進(jìn)行接觸前，將這樣 的金屬簇沉積到光催化劑晶體上的方法包括但不限于以上所討論的 那些，并且是本領(lǐng)域中熟知的。
用于簇的金屬可以為任意的貴金屬。優(yōu)選使用金、柏、鈀或其任 何混合物。簇可以為2納米或更少的寬度。簇還優(yōu)選是3原子層或更 少的厚度。光催化劑層120應(yīng)該是多孔的，并且具有低傳質(zhì)阻力，以 使貴金屬簇被暴露。
7當(dāng)光催化劑層120未暴露于UV照射并經(jīng)受了污染物濃度的持續(xù) 升高時(shí)，貴金屬簇具有通過下面所介紹的過程氧化污染物的能力。該 過程使層120中的光催化劑位點(diǎn)自由，這樣當(dāng)光催化劑層120再次被 暴露于UV照射時(shí)，它能夠形成羥基自由基并且氧化在層120上累積 的任，何污染物。
將貴金屬簇加入到光催化劑組合物中促進(jìn)其它的反應(yīng)途徑，從而 抵抗由于有機(jī)污染物的光催化劑位點(diǎn)的阻塞，通過兩個(gè)重要的機(jī)制 l)用作吸附氧的活性位點(diǎn)，即使在沒有UV照射下，和2)用作電子陷 阱從而提高超氧自由基02-的形成。雖然對(duì)于促進(jìn)氧化分解反應(yīng)，氧 吸附劑和形成的超氧自由基可能不如羥基自由基重要，它們可以在減 輕在酸性或^s咸性氧化物表面上或在UV輻射的影響下出現(xiàn)的污染物縮 合反應(yīng)起到重要作用，并且還有助于過氧化氫的形成。貴金屬簇會(huì)提 高活性氧的吸附和解離，活性氧可以移動(dòng)到氧化物的表面與有機(jī)污染 物覆蓋層反應(yīng)并將其氧化掉，否則有機(jī)污染物覆蓋層會(huì)使光催化劑失 活。
通過對(duì)簇金屬的明智選擇，曱醛和一氧化碳的單程功效可以被提 高，盡管金屬的不同選擇可能對(duì)于氧化芳香族化合物更有效。例如， 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)金或混合金的金屬簇在氧化一氧化碳或甲醛上特別有效，已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)鉑或其它以鉑族為基礎(chǔ)的簇在芳香族化合物的氧化上特別有 效。
當(dāng)使用金或混合金的金屬簇時(shí)，理想的是將光催化劑與有效量的 金錨固劑一起配制， 一般是約2%原子比或更少。這有助于防止金屬 簇在光催化劑周圍漂動(dòng)以及與其它簇融合。金錨固劑包括但不限于 鐵。在這個(gè)實(shí)施方案中，如果光催化劑是二氧化鈦，它會(huì)以化學(xué)式 Ti^x)FexOy表示，其中x是0.001到0.02， y是平衡正Ti+4和Fe+3物質(zhì) 的電荷的合適的值。x的值具有上限，該上限與光催化劑微晶的大小 反相關(guān)，越小的微晶能耐受越大的x值。過量的摻雜物對(duì)于光催化活 性具有嚴(yán)重的負(fù)作用。
8另外，本公開的特性可以與當(dāng)基于有機(jī)硅的污染物例如硅氧烷存 在時(shí)使用的空氣凈化系統(tǒng)和方法聯(lián)合使用。這些系統(tǒng)和方法在名
為"HIGH SURFACE AREA LARGE PORE DEACTIVATION RESISTANT PHOTOCATALYSTS(高表面積大孔失活抗性光催化劑)" 的共同未決申請(qǐng)中進(jìn)行了介紹，該申請(qǐng)具有代理人案號(hào)No. 0002488WOU，提交于XXXXXXXX，并且通過引用被結(jié)合到本文中。 因此光催化劑可以被布置為多孔結(jié)構(gòu)，并且可以涂覆有對(duì)UV光透明 的高表面積、小集料尺寸、合適的低傳質(zhì)阻力材料層，例如某些蒸氣 沉積二氧化硅。該材料可以防止硅化合物到達(dá)光催化劑表面，這使光 催化劑可以恰當(dāng)?shù)匮趸疺OC。
雖然通過參考以上的示例實(shí)施方案已經(jīng)介紹了本公開，本領(lǐng)域的 一般技術(shù)人員會(huì)理解可以進(jìn)行多種改變并且可以用等價(jià)物代替其要 素而不偏離其范圍。另外，可以進(jìn)行許多改動(dòng)從而使具體的情況或材 料適合本公開的教導(dǎo)而不偏離其范圍。因此，本公開不被作為考慮被 用于實(shí)施本公開的最佳模式而被公開的具體實(shí)施方案所限制，但是本 公開包括所有在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)的實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種空氣凈化系統(tǒng)，所述空氣凈化系統(tǒng)包括基材；和包括許多金屬簇的至少一層光催化劑。
2. 權(quán)利要求1的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述基材是鋁蜂窩。
3. 權(quán)利要求2的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述光催化劑是二氧化鈦、 摻雜的二氧化鈦、金屬氧化物接枝的二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫或其 任何混合物，并且其中所述摻雜的二氧化鈦具有提高所述光催化劑活 性的摻雜物。
4. 權(quán)利要求1的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述許多金屬簇包括一種或 多種貴金屬。
5. 權(quán)利要求1的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述許多金屬簇包括金或混 合金的金屬，并且其中所述至少一層光催化劑包含約2%原子比或更 少的錨固劑。
6. 權(quán)利要求5的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述錨固劑是鐵。
7. 權(quán)利要求1的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述許多金屬簇在至少一層 光催化劑中具有約1%或更少的重量比。
8. 權(quán)利要求7的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述許多金屬簇在整個(gè)至少 一層光催化劑中M本均勻濃集的。
9. 權(quán)利要求7的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述許多金屬簇在至少一層 光催化劑的第 一 區(qū)中的濃度低于在所述至少一層光催化劑的第二區(qū) 中的濃度，其中所述第一區(qū)暴露于周圍空氣。
10. 權(quán)利要求9的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述許多金屬簇在所述第一 區(qū)中以約0.1%至約0.3%重量的量存在，并且其中所述許多金屬簇在 所述第二區(qū)中以約1.5%至約2%的量存在。
11. 權(quán)利要求1的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述許多金屬簇具有約2納 米或更少的寬度，并且具有3或更少原子層的深度。
12. 權(quán)利要求1的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述至少一層光催化劑布置 為多孔結(jié)構(gòu)，并且涂覆有蒸氣沉積二氧化硅層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空氣凈化系統(tǒng)，其包括基材和至少一層光催化劑。該至少一層光催化劑還包括許多金屬簇。
文檔編號(hào)B01J23/00GK101495227SQ200780028565
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月1日
發(fā)明者D·魏, J·A·達(dá)維斯, S·M·奧帕爾卡, S·O·海, T·H·范德斯普爾特, T·N·奧比 申請(qǐng)人:開利公司