專利名稱：包括金/二氧化鈦光催化劑的空氣凈化系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般性地涉及金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑涂層，其具有納米尺寸的金顆粒，氧化包括揮發(fā)性有機(jī)化合物和一氧化碳的吸附在表面上的氣體污染物，以形成二氧化碳、水和其它物質(zhì)。
室內(nèi)空氣可包括痕量污染物，污染物包括一氧化碳和揮發(fā)性有機(jī)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污染物。當(dāng)空氣流過過濾器時(shí)，過濾器阻塞污染物的通過，使得不含污染物的空氣從過濾器流出。使用過濾器的缺點(diǎn)是，它們只是阻塞污染物的通過，并沒有消滅它們。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凈化器中的光催化劑，以消滅污染物。當(dāng)二氧化鈦被紫外光照射時(shí)，光子被二氧化鈦吸收，將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，由此在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴并在導(dǎo)帶中加入電子。被激發(fā)的電子與氧反應(yīng)，保留在價(jià)帶中的空穴與水反應(yīng)，形成活性氫氧基自由基。當(dāng)污染物吸附到二氧化鈦催化劑上時(shí)，氫氧基自由基進(jìn)攻污染物并將污染物氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。
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(shí)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(chǎn)生。一氧化碳比任何其它毒物導(dǎo)致更多的死亡，在封閉的環(huán)境中特別危險(xiǎn)。一氧化碳由基于碳的燃料如煤油、天然氣、汽油、丙烷、丁烷等和有機(jī)物質(zhì)如木材、紙等的不完全燃燒產(chǎn)生。一氧化碳可在室內(nèi)空氣中由于不適當(dāng)?shù)耐L(fēng)、抽煙，或在室外空氣中的汽車排放而增多。一氧化碳中毒可在長(zhǎng)時(shí)間的少量一氧化碳存在下發(fā)生。敏感的器官如大腦、心臟和肺因缺氧而損害最嚴(yán)重。EPA要求的平均八小時(shí)下的暴露設(shè)為30ppm。
因此，需要氧化氣體污染物的光催化劑/熱催化劑涂層，該涂層將吸附在表面上的包括揮發(fā)性有機(jī)化合物和一氧化碳的氣體污染物氧化成二氧化碳、水和其它物質(zhì)。
發(fā)明概述在基體上的金/二氧化鈦光催化/熱催化涂層，通過將吸附在該涂層上的任何污染物氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)而凈化建筑物或交通工具中的空氣。金顆粒是納米尺寸的，其尺寸小于3納米。
通風(fēng)機(jī)將空氣吸入空氣凈化系統(tǒng)中。空氣流過開口的通道或蜂窩件通道。蜂窩件表面被金/鈦涂層涂覆。紫外光源置于連續(xù)的蜂窩件之間，活化金/二氧化鈦涂層。
當(dāng)紫外光的光子被金/二氧化鈦涂層吸收時(shí)，形成活性氫氧基自由基。當(dāng)污染物，如揮發(fā)性的有機(jī)化合物，被吸附到金/二氧化鈦涂層上時(shí)，氫氧基自由基進(jìn)攻污染物，從污染物中提出氫原子，并將揮發(fā)性的有機(jī)化合物氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。
在室溫下，金/二氧化鈦涂層將一氧化碳氧化成二氧化碳，同時(shí)氧化有害的揮發(fā)性有機(jī)化合物。當(dāng)一氧化碳吸附在涂層上時(shí)，金用作氧化催化劑，并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(jié)合率，增加涂層的光催化活性。金/二氧化鈦涂層同時(shí)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(dòng)，金顆粒的移動(dòng)會(huì)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(fā)明的這些和其它特點(diǎn)。
附圖簡(jiǎn)述從以下目前優(yōu)選的實(shí)施方案的詳細(xì)描述，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明的各種特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。伴隨詳細(xì)描述的附圖可被簡(jiǎn)述如下

圖1示意地說明了封閉的環(huán)境，如建筑物、交通工具或其它結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)部空間和HVAC系統(tǒng)；圖2示意地說明了本發(fā)明的空氣凈化系統(tǒng)；和圖3示意地說明了空氣凈化系統(tǒng)的蜂窩件。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳述圖1示意地說明了建筑物、交通工具或其它結(jié)構(gòu)10，其包括內(nèi)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(jī)。HVAC系統(tǒng)14加熱或冷卻內(nèi)部空間12。內(nèi)部空間12中的空氣通過路徑16進(jìn)入HVAC系統(tǒng)14。HVAC系統(tǒng)14改變從內(nèi)部空間12吸入空氣16的溫度。如果HVAC系統(tǒng)14以冷卻模式運(yùn)行，則冷卻空氣。或者，如果HVAC系統(tǒng)14以加熱模式運(yùn)行，則加熱空氣。然后空氣通過路徑18返回到內(nèi)部空間12，從而改變內(nèi)部空間12中的空氣溫度。
圖2示意地說明了空氣凈化系統(tǒng)20，其通過將污染物，如揮發(fā)性有機(jī)化合物、半揮發(fā)性有機(jī)化合物和一氧化碳，氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)而凈化建筑物或交通工具10中的空氣。例如，揮發(fā)性有機(jī)化合物可為醛、酮、醇、芳香族化合物、烯烴或烷烴?？諝鈨艋到y(tǒng)20可在空氣沿路徑16吸入HVAC系統(tǒng)14中之前，凈化空氣，或者它可在空氣沿路徑18吹入建筑物或交通工具10的內(nèi)部空間12中之前，凈化離開HVAC系統(tǒng)14的空氣?？諝鈨艋到y(tǒng)20也可為單獨(dú)的單元，不與HVAC系統(tǒng)14一起使用。
通風(fēng)機(jī)34通過入口22將空氣吸入空氣凈化系統(tǒng)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(dòng)，過濾出這些顆粒。然后空氣流過基體28，如蜂窩件。在一個(gè)實(shí)施例中，蜂窩件28由鋁或鋁合金制成。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/熱催化涂層40涂覆。當(dāng)被紫外光活化時(shí)，涂層40氧化吸附到金/二氧化鈦涂層40上的揮發(fā)性有機(jī)化合物。如下所述，當(dāng)空氣流過蜂窩件28的開口通道30時(shí)，吸附到金/二氧化鈦涂層40表面上的污染物被氧化成二氧化碳、水和其它物質(zhì)。
置于連續(xù)的蜂窩件28之間的光源32活化開口通道30表面上的光催化涂層40。如圖所示，蜂窩件28和光源32在空氣凈化系統(tǒng)20中交替設(shè)置。也就是說，在每個(gè)蜂窩件28之間設(shè)有光源32。優(yōu)選地，光源32為紫外光源，其產(chǎn)生波長(zhǎng)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/二氧化鈦涂層40。當(dāng)紫外光的光子被金/二氧化鈦涂層40吸收時(shí)，將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。金/二氧化鈦涂層40必須在氧和水存在下，將污染物氧化成二氧化碳、水和其它物質(zhì)。被激發(fā)到導(dǎo)帶的電子被氧捕獲。價(jià)帶中的空穴與吸附到金/二氧化鈦涂層40上的水分子反應(yīng)，形成活性氫氧基自由基。
當(dāng)污染物被吸附到涂層40上時(shí)，氫氧基自由基進(jìn)攻污染物，從污染物中提出氫原子。在此方法中，氫氧基自由基氧化污染物，并產(chǎn)生水、二氧化碳和其它物質(zhì)。
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(jié)合率，增加涂層的光催化活性。在一個(gè)實(shí)施例中發(fā)現(xiàn)，金/二氧化鈦比純的二氧化鈦使甲醛氧化的光催化反應(yīng)率增加約40％。為了提高光催化性能，金顆粒是納米分散的。優(yōu)選地，金顆粒的尺寸小于3納米。對(duì)于熱催化作用，金顆粒的尺寸對(duì)一氧化碳氧化活性也是關(guān)鍵的，其取決于形成為非常小的納米顆粒的金。
在室溫下，金/二氧化鈦涂層40在氧存在下，將一氧化碳氧化成二氧化碳，同時(shí)氧化有害的揮發(fā)性有機(jī)化合物。當(dāng)一氧化碳吸附在涂層上時(shí)，金/二氧化鈦用作熱氧化催化劑，并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(duì)低溫一氧化碳氧化是活性的。因此，金/二氧化鈦光催化/熱催化涂層同時(shí)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(fā)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(jù)信，氧吸附到周邊界面上。周邊位置上的羰基物類與氧反應(yīng)，形成氧-金-一氧化碳復(fù)合物。該復(fù)合物分解以產(chǎn)生二氧化碳。
優(yōu)選地，雙功能催化劑的載體是二氧化鈦。在一個(gè)實(shí)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(yīng)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(duì)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(fù)載，以進(jìn)一步提高涂層40的光催化和熱催化效力。金傾向于在二氧化鈦的表面上移動(dòng)以形成大簇。由于金顆粒的移動(dòng)，可能降低金/二氧化鈦涂層40的效力。通過在二氧化鈦表面上負(fù)載金屬氧化物，金屬氧化物可分隔金顆粒，防止它們移動(dòng)和形成大簇，從而增加金/二氧化鈦涂層40的效力。優(yōu)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(gè)實(shí)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?？韶?fù)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之后，凈化的空氣隨后通過出口36離開空氣凈化器?？諝鈨艋到y(tǒng)20的壁38優(yōu)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/二氧化鈦涂層的催化性能受制備方法影響。金的催化活性取決于形成為納米顆粒的金。金的納米顆?？赏ㄟ^任何方法產(chǎn)生，包括共沉淀、沉積-沉淀、液相移植、膠態(tài)混合、浸漬或化學(xué)氣相沉積。
在共沉淀方法中，催化劑這樣制備在室溫或稍微高的溫度下，并在恒定pH下，使金前體的水溶液與鈦前體的水溶液混合。過濾沉淀物，用蒸餾水徹底洗滌，在真空下、70℃干燥過夜。干燥之后，在200℃～500℃煅燒產(chǎn)物，形成干燥的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑。
在沉積-沉淀方法中，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，然后將混合物加熱至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(dǎo)致Au(OH)3均勻沉淀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。然后將樣品在真空下、70℃干燥過夜。然后在200℃～500℃的溫度下煅燒樣品，以形成干燥的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑。沉積-沉淀方法的優(yōu)點(diǎn)是，所有活性組分保留在二氧化鈦載體的表面上，而沒有埋在它的里面。
在液相接枝方法中，溶液中的金復(fù)合物與載體如二氧化鈦的表面反應(yīng)，形成可轉(zhuǎn)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，然后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。然后過濾混合物，并在400℃下煅燒4小時(shí)。
為了在蜂窩件28上涂覆雙功能催化劑，向干燥的金/二氧化鈦光催化劑/熱催化劑中加入水，以形成懸浮液。通過噴涂、電泳或浸涂，將懸浮液施涂到蜂窩件28的表面上，以形成金/二氧化鈦涂層40。在施涂懸浮液之后干燥懸浮液，在蜂窩件28上形成均一的金/二氧化鈦涂層40。
雖然已經(jīng)說明和描述了蜂窩件28，但是應(yīng)該理解，可將金/二氧化鈦涂層40施涂到任何結(jié)構(gòu)上。蜂窩件28中的空間通常是六邊形的，但是應(yīng)該理解，可使用其它空間形狀。當(dāng)在光源存在下，污染物吸附到所述結(jié)構(gòu)的金/二氧化鈦涂層40上時(shí)，污染物被氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。
以上描述僅是本發(fā)明原理的示例。根據(jù)以上教導(dǎo)，本發(fā)明的許多改進(jìn)和變化是可能的。但是，已公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，所以本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明范圍內(nèi)可進(jìn)行某些改進(jìn)。因此，應(yīng)該理解，在附加的權(quán)利要求范圍內(nèi)，本發(fā)明可在具體所述之外實(shí)施。因此，應(yīng)該研究以下權(quán)利要求，以確定本發(fā)明的實(shí)際范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.空氣凈化系統(tǒng)，包括基體；施涂到所述基體上的金/二氧化鈦涂層，并且所述的金/二氧化鈦涂層包括在二氧化鈦上的納米尺寸的金；和活化所述金/二氧化鈦涂層的光源，并且當(dāng)被所述的光源活化時(shí)，所述的金/二氧化鈦涂層氧化吸附到所述金/二氧化鈦涂層上的污染物。
2.如權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述的金的尺寸小于3納米。
3.如權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述的光源是紫外光源。
4.如權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中來自所述光源的光子被所述的金/二氧化鈦涂層吸收，形成活性氫氧基自由基，該氫氧基自由基在氧和水存在下，使污染物氧化成水和二氧化碳。
5.如權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述的污染物是揮發(fā)性有機(jī)化合物和半揮發(fā)性有機(jī)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(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述的金/二氧化鈦涂層在室溫下使一氧化碳氧化成二氧化碳。
7.如權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述的金/二氧化鈦催化涂層還包括摻雜劑，該摻雜劑防止所述的金在所述的二氧化鈦表面上移動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述的攙雜劑為金屬氧化物。
9.如權(quán)利要求8所述的空氣凈化系統(tǒng)，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(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述的基體是被固體壁分隔的空間陣列。
11.如權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，還包括外殼，該空氣凈化系統(tǒng)在所述的外殼中，所述外殼的壁襯以反射材料。
12.如權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中該空氣凈化系統(tǒng)是在室溫下。
13.如權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，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(quán)利要求13所述的空氣凈化系統(tǒng)，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.空氣凈化系統(tǒng)，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，用于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，并通過所述的出口使所述的流體排出所述的容器；施涂到所述基體上的金/二氧化鈦催化涂層，所述的金/二氧化鈦涂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；和活化所述催化涂層的紫外光源，來自所述紫外光源的光子被所述的金/二氧化鈦催化涂層吸收，形成活性氫氧基自由基，當(dāng)被所述的紫外光源活化時(shí)，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/二氧化鈦催化涂層上的所述流體中的污染物氧化成水和二氧化碳。
16.凈化空氣的方法，包括以下步驟將金/二氧化鈦催化涂層施涂到基體上，所述的金/二氧化鈦涂層包括在二氧化鈦上的納米尺寸的金；活化所述金/二氧化鈦催化涂層；形成活性氫氧基自由基；使污染物吸附到所述的金/二氧化鈦催化涂層上；用所述的氫氧基自由基氧化所述的污染物；用所述的金/二氧化鈦催化涂層的所述金，降低一氧化碳的能壘；和然后氧化所述的一氧化碳。
全文摘要
金/二氧化鈦光催化/熱催化涂層，同時(shí)使吸附到涂層上的揮發(fā)性有機(jī)化合物和一氧化碳氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。金的尺寸小于3納米。當(dāng)紫外光的光子被金/二氧化鈦涂層吸收時(shí)，形成活性氫氧基自由基。當(dāng)污染物吸附到金/二氧化鈦涂層上時(shí)，氫氧基自由基氧化污染物，以產(chǎn)生水、二氧化碳和其它物質(zhì)。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/二氧化鈦涂層也可同時(shí)使一氧化碳氧化成二氧化碳。
文檔編號(hào)B01D53/86GK1805789SQ200480016765
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2004年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月19日
發(fā)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(qǐng)人:開利公司