專(zhuān)利名稱(chēng)：包括催化劑和光源的空氣凈化系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明總體上涉及一種氧化錳/二氧化鈦光催化劑/熱敏催化劑涂層，所述催化劑涂層用于氧化氣體污染物，包括揮發(fā)性有機(jī)化合物，并且將表面上吸附的臭氧分解，生成二氧化碳、水和其它物質(zhì)。
室內(nèi)空氣可能含有微量的污染物，包括臭氧和揮發(fā)性有機(jī)化合物，例如甲醛、甲苯、丙醛、丁烯和乙醛。吸收性空氣過(guò)濾器，例如活性碳，已經(jīng)應(yīng)用于從空氣除去這些污染物。當(dāng)空氣通過(guò)過(guò)濾器時(shí)，過(guò)濾器阻止污染物的通過(guò)，而只允許不含污染物的空氣通過(guò)。正在應(yīng)用中的過(guò)濾器的缺點(diǎn)是它們只是簡(jiǎn)單的阻止污染物的通過(guò)而不消除污染物。另外，空氣過(guò)濾器并不能有效阻擋臭氧。
在空氣凈化裝置中，二氧化鈦已經(jīng)被用作光催化劑來(lái)消除污染物。當(dāng)二氧化鈦受紫外光照曬時(shí)，光子被二氧化鈦吸收，激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，因此在價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)空穴而導(dǎo)帶上增加了一個(gè)電子，被激發(fā)的電子與氧反應(yīng)，保留在價(jià)帶上的空穴與水反應(yīng)，形成活性羥基。當(dāng)污染物吸附在二氧化鈦催化劑上時(shí)，羥基侵襲污染物并將其氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。
在光催化條件下，單獨(dú)的二氧化鈦對(duì)分解臭氧來(lái)說(shuō)效果較小。臭氧(O3)是一種污染物，它從工作間里中常見(jiàn)的設(shè)備例如復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、掃描儀等中釋放出來(lái)。臭氧能夠?qū)е聬盒暮皖^痛，并且過(guò)長(zhǎng)時(shí)間接觸臭氧環(huán)境能夠破壞鼻黏膜，導(dǎo)致呼吸問(wèn)題。OSHA已經(jīng)設(shè)定了對(duì)臭氧的允許接觸極限(PEL)為8小時(shí)0.08ppm。
臭氧是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定分子，并且在直到250℃的溫度均非常緩慢地分解。在環(huán)境溫度下，氧化錳通過(guò)促使臭氧氧化成吸附在表面上的氧原子來(lái)非常有效地分解臭氧。這些被吸附的氧原子然后與臭氧結(jié)合形成吸附的過(guò)氧化物，該過(guò)氧化物作為氧分子脫附。
因此，需要光催化劑/熱敏催化劑涂層來(lái)氧化氣體污染物，并且將吸附在光催化劑表面上的臭氧分解形成氧氣、二氧化碳、水和其它物質(zhì)，其中污染性氣體包括揮發(fā)性有機(jī)化合物。
發(fā)明簡(jiǎn)介一種涂覆在基底上的氧化錳/二氧化鈦光催化/熱敏催化涂層，通過(guò)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)來(lái)凈化空氣。
用通風(fēng)機(jī)將空氣引入空氣凈化系統(tǒng)?？諝饬鬟^(guò)蜂窩器(honeycomb)的開(kāi)孔或通道。蜂窩器的表面涂覆有氧化錳/二氧化鈦涂層。一個(gè)位于連續(xù)的蜂窩器之間的紫外光源，用于激活氧化錳/二氧化鈦涂層。
當(dāng)氧化錳/二氧化鈦涂層吸收紫外光的光子時(shí)，形成了活性羥基。當(dāng)污染物，例如揮發(fā)性有機(jī)化合物，被吸附在氧化錳/二氧化鈦涂層上時(shí)，羥基侵襲污染物，從污染物中提取一個(gè)氫原子并且將揮發(fā)性有機(jī)化合物氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。
室溫下，氧化錳/二氧化鈦涂層將臭氧分解成氧氣的同時(shí)氧化有害的揮發(fā)性有機(jī)化合物。當(dāng)臭氧被吸附在涂層上時(shí)，氧化錳降低了臭氧分解所需要的能壘，將臭氧分解成氧分子。另外，二氧化鈦表面上的氧化錳顆粒減少了電子和空穴重新結(jié)合的幾率，增加了涂層的光催化活性。氧化錳/二氧化鈦涂層同時(shí)起到光催化劑和熱敏催化劑的作用。
本發(fā)明的這些和其它特征將從以下詳述和附圖中得到更好的理解。
附圖簡(jiǎn)述通過(guò)下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)變得明顯。與詳細(xì)說(shuō)明一起的附圖可以作如下簡(jiǎn)要表述

圖1圖示了一個(gè)封閉環(huán)境，例如房屋、交通工具或其它結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)內(nèi)部空間和一個(gè)HVAC系統(tǒng)。
圖2圖示了本發(fā)明的空氣凈化系統(tǒng)。
圖3圖示了空氣凈化系統(tǒng)的蜂窩器，和圖4圖示了一種制備本發(fā)明的氧化錳/二氧化鈦光催化劑/熱敏催化劑的方法。
優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述圖1圖示了包括一個(gè)內(nèi)部空間12的房屋、交通工具或其它結(jié)構(gòu)10，，例如房間、辦公室或交通工具例如小汽車(chē)、火車(chē)、公交車(chē)或飛機(jī)的座艙。HVAC系統(tǒng)14加熱或冷卻內(nèi)部空間12。內(nèi)部空間12內(nèi)的空氣通過(guò)通道16被吸入HVAC系統(tǒng)14。HVAC系統(tǒng)14改變通過(guò)通道16從內(nèi)部空間12內(nèi)引入的空氣溫度。如果HVAC系統(tǒng)14在冷卻模式下操作，空氣被冷卻?；蛘?，如果HVAC系統(tǒng)14在加熱模式下操作，空氣被加熱?？諝怆S后通過(guò)通道18返回到內(nèi)部空間12，改變內(nèi)部空間12內(nèi)的空氣溫度。
圖2圖示了一個(gè)空氣凈化系統(tǒng)20，其用于通過(guò)將污染物，例如揮發(fā)性有機(jī)化合物和半揮發(fā)性有機(jī)化合物，氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)，來(lái)凈化房屋或交通工具10中的空氣。污染物可能是醛、酮、醇、芳香族化合物、烯烴或烷烴?？諝鈨艋到y(tǒng)20還將臭氧分解成氧氣?？諝鈨艋到y(tǒng)20能夠在空氣通過(guò)通道16被吸入到HVAC系統(tǒng)14之前將其凈化，也可以在空氣離開(kāi)HVAC系統(tǒng)14之后、通過(guò)通道18被吸入到房屋或交通工具10的內(nèi)部空間12之前將其凈化?？諝鈨艋到y(tǒng)20也可以是一個(gè)單獨(dú)的單元而不與HVAC系統(tǒng)14一起使用。
通風(fēng)機(jī)34通過(guò)一個(gè)入口22將空氣吸入空氣凈化系統(tǒng)20。空氣流過(guò)一個(gè)顆粒過(guò)濾器24，通過(guò)阻礙顆粒的流過(guò)，過(guò)濾除去灰塵或任何其它大顆粒。空氣隨后流過(guò)基底28，例如蜂窩器。在一個(gè)實(shí)施例中，蜂窩器28由鋁或鋁合金制成。圖3圖示了蜂窩器28的前視圖，蜂窩器28具有多個(gè)六邊形開(kāi)孔或通道30，多個(gè)開(kāi)孔30的表面涂覆有氧化錳/二氧化鈦(MnOx/TiO2)光催化/熱敏催化涂層40。當(dāng)被紫外光激活時(shí)，涂層40氧化吸附在氧化錳/二氧化鈦涂層40上的揮發(fā)性有機(jī)化合物。如下所述的，當(dāng)空氣流過(guò)蜂窩器28的開(kāi)孔30時(shí)，被吸附在氧化錳/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)。
位于連續(xù)的蜂窩器28之間的光源32激活在開(kāi)孔30表面上的光催化涂層40。如圖所示，蜂窩器28和光源32在空氣凈化系統(tǒng)20中交替。也就是，在每?jī)蓚€(gè)蜂窩器28之間都有一個(gè)光源32。優(yōu)選地，光源32是能夠產(chǎn)生波長(zhǎng)在180納米到400納米之間的光的紫外光源。
光源32照射激活蜂窩器28表面上的氧化錳/二氧化鈦涂層40。當(dāng)紫外光的光子被氧化錳/二氧化鈦涂層40吸收時(shí)，激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)空穴。氧化錳/二氧化鈦涂層40必須在氧氣和水存在時(shí)將污染物氧化成二氧化碳、水和其它物質(zhì)。躍遷到導(dǎo)帶的電子被氧氣捕捉。價(jià)帶上的空穴與氧化錳/二氧化鈦涂層40上吸附的水分子反應(yīng)形成活性羥基。
當(dāng)涂層40上吸附污染物時(shí)，活性羥基侵襲污染物，從污染物中吸收一個(gè)氫原子。在這個(gè)方法中，羥基氧化污染物生成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。
在環(huán)境溫度下，氧化錳分解臭氧十分有效。承載在二氧化鈦上的氧化錳促使臭氧分解成吸附在表面上的氧原子。這些氧原子然后與臭氧結(jié)合，生成一種作為氧分子脫附的過(guò)氧化物。當(dāng)臭氧吸附在氧化錳上時(shí)，通過(guò)降低臭氧分解所需要的能壘，氧化錳成為吸附游離的臭氧的位置(site)。因而，當(dāng)僅有臭氧存在時(shí)，氧化錳將其轉(zhuǎn)變成氧氣。
另外，過(guò)氧化物活性很高，并且有助于將揮發(fā)性有機(jī)化合物氧化為二氧化碳和水。因此，氧化錳同樣也能對(duì)氧化揮發(fā)性有機(jī)化合物很有效。在僅有揮發(fā)性有機(jī)化合物存在時(shí)，涂層40中的氧化錳產(chǎn)生二氧化碳、水和其它物質(zhì)。
室溫下，氧化錳/二氧化鈦涂層40將臭氧分解成氧氣的同時(shí)，將有害的揮發(fā)性有機(jī)化合物氧化成二氧化碳、水和其它物質(zhì)。因此，氧化錳/二氧化鈦光催化/熱敏催化涂層同時(shí)作為光催化劑和熱敏催化劑。
在二氧化鈦表面上的高分散氧化錳顆粒降低了電子與空穴重新結(jié)合的機(jī)率，增加了涂層的光催化活性。優(yōu)選地，氧化錳顆粒為納米級(jí)。
優(yōu)選地，具有雙重功能的催化劑載體為二氧化鈦。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。然而，應(yīng)當(dāng)理解，也可以使用其它的光催化材料或二氧化鈦與其它金屬氧化物的組合物，只要它們是熱催化功能的活性載體。例如，光催化材料可以是Fe2O3、ZnO、V2O5、SnO2或FeTiO3。另外，其它金屬氧化物也可以與二氧化鈦混合，例如Fe2O3、ZnO、V2O5、SnO2、CuO、MnOx、WO3、Co3O4、CeO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3或NiO。
氧化錳/二氧化鈦也可以承載在金屬氧化物上。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬氧化物可以是WO3、ZnO、Fe2O3、V2O5、SnO2、PbO、MgO、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、Cr2O3或ZrO2。
通過(guò)蜂窩器28后，凈化后的空氣通過(guò)出口36排出空氣凈化器?？諝鈨艋到y(tǒng)20的壁38優(yōu)選鋪襯反射材料42，反射材料42將紫外光反射到蜂窩器28的開(kāi)孔30的表面上。
氧化錳/二氧化鈦涂層的催化性能受制備方法的影響。氧化錳納米顆粒可以通過(guò)沉積-沉淀法、共沉淀法、浸漬法或化學(xué)蒸汽沉淀法生成。通過(guò)使用這些方法，可以生成氧化錳納米顆粒，提高了催化活性。
圖4圖示了一種制備本發(fā)明的氧化錳/二氧化鈦光催化劑/熱敏催化劑方法的流程圖。將水逐滴加到二氧化鈦粉末中以確定二氧化鈦的孔中充滿(mǎn)水或達(dá)到初始濕潤(rùn)(步驟44)，所用的水量然后用于溶解一種錳鹽(硝酸錳或優(yōu)選醋酸錳)，如步驟46所示。所需的錳鹽的量由表面上錳的摩爾百分含量指標(biāo)確定，通常為0.1-6mol％。
錳鹽溶液然后逐滴加(步驟48)到二氧化鈦上。生成的粉末然后在120口下干燥6個(gè)小時(shí)(步驟50)，粉末然后在500度下焙燒6個(gè)小時(shí)(步驟52)以除去醋酸鹽和硝酸鹽。在焙燒過(guò)程中，錳被氧化形成氧化錳。焙燒后，生成覆蓋氧化錳納米顆粒的二氧化鈦粉末。
為了將氧化錳/二氧化鈦雙重功能催化劑涂覆到基底上，在干燥的氧化錳/二氧化鈦光催化劑/熱敏催化劑中加入水來(lái)形成懸浮液。通過(guò)噴霧、電泳或浸漬涂覆將懸浮液涂覆到蜂窩器28的表面上，形成氧化錳/二氧化鈦涂層40。涂覆完懸浮液后，干燥懸浮液，在蜂窩器28上形成均一的氧化錳/二氧化鈦涂層40。優(yōu)選地，懸浮液具有1％重量的二氧化鈦上的氧化錳。
盡管蜂窩器28已經(jīng)被圖示和說(shuō)明，但應(yīng)當(dāng)理解氧化錳/二氧化鈦涂層40可以用于任何結(jié)構(gòu)上。典型的蜂窩器28中的空間形狀為六邊形，但是可以理解其它的空間形狀也適用。在光源存在下，結(jié)構(gòu)上的氧化錳/二氧化鈦涂層40吸附污染物時(shí)，污染物被氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。
前面的描述僅僅是本發(fā)明原理的示范。根據(jù)以上啟發(fā)，本發(fā)明的多種修改和變化也是可能的。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案已經(jīng)公開(kāi)，然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到一定的修改也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因而，可以理解在附加的權(quán)利要求范圍內(nèi)，本發(fā)明可以以不同于具體描述的方式實(shí)施。由于這個(gè)原因，下面的權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)考慮為本發(fā)明真正的范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種空氣凈化系統(tǒng)，包括基底；施加在所述基底上的氧化錳/二氧化鈦涂層，并且所述氧化錳/二氧化鈦涂層包括在二氧化鈦上的氧化錳；和用于激活所述氧化錳/二氧化鈦涂層的光源，且當(dāng)被所述光源激活時(shí)，所述氧化錳/二氧化鈦涂層氧化吸附在所述氧化錳/二氧化鈦涂層上的污染物。
2.權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述氧化錳為納米尺寸。
3.權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述光源為紫外光源。
4.權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述光源的光子被所述氧化錳/二氧化鈦涂層吸收，形成活性羥基，在氧和水存在下，該活性羥基將污染物氧化成二氧化碳和水。
5.權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述污染物是揮發(fā)性有機(jī)化合物和半揮發(fā)性有機(jī)化合物的中一種，包括醛、酮、醇、芳族化合物、烯烴和烷烴中的至少一種。
6.權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述氧化錳/二氧化鈦涂層分解臭氧。
7.權(quán)利要求6所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述氧化錳降低了所述臭氧分解的能壘，將所述臭氧分解成氧分子。
8.權(quán)利要求6所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述氧化錳促使所述臭氧分解成被吸附的氧原子和被吸附的過(guò)氧化物，并且所述被吸附的氧原子和所述被吸附的過(guò)氧化物將揮發(fā)性有機(jī)化合物氧化成二氧化碳、水和其它物質(zhì)。
9.權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，還包括在所述二氧化鈦表面上的金屬氧化物。
10.權(quán)利要求9所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述金屬氧化物為WO3、ZnO、Fe2O3、V2O5、SnO2、PbO、MgO、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、AlO3、Cr2O3和ZrO2中的至少一種。
11.權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，還包括與所述二氧化鈦混合的金屬氧化物。
12.權(quán)利要求11所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述金屬氧化物至少是WO3、ZnO、CdS、SrTiO3、FeO3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、MgO3、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、Cr2O3和ZrO2中的一種。
13.權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述基底是被固體壁分開(kāi)的空間陣列。
14.權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，還包括外殼，空氣凈化系統(tǒng)位于所述外殼中，且所述外殼的壁鋪襯反射材料。
15.權(quán)利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中空氣凈化系統(tǒng)處在室溫下。
16.一種空氣凈化系統(tǒng)，包括具有入口和出口的容器；在所述容器內(nèi)的多孔基底；通過(guò)所述入口將流體引入所述容器內(nèi)，使所述流體流過(guò)所述多孔基底，并且驅(qū)使所述流體從所述出口流出的裝置；施加在所述基底上的氧化錳/二氧化鈦催化涂層，所述氧化錳/二氧化鈦涂層包括在二氧化鈦上的氧化錳，所述氧化錳降低了臭氧分解成氧的能壘；和用于激活所述催化涂層的紫外光源，當(dāng)被所述紫外光源激活時(shí)，所述紫外光源的光子被所述氧化錳/二氧化鈦催化涂層吸收，形成活性羥基，在水和氧存在下，所述活性羥基將吸附在所述氧化錳/二氧化鈦催化涂層上的所述流體中的污染物氧化成二氧化碳和水。
17.一種凈化空氣的方法，包括下列步驟使氧化錳/二氧化鈦催化涂層涂覆在基底上，所述氧化錳/二氧化鈦涂層包括在二氧化鈦上的氧化錳；激活所述氧化錳/二氧化鈦催化涂層；形成活性羥基；將污染物吸附在所述氧化錳/二氧化鈦催化涂層上；用所述羥基氧化所述污染物；用所述氧化錳/二氧化鈦催化涂層中的氧化錳降低臭氧分解時(shí)的能壘；和然后將所述臭氧分解成氧。
全文摘要
一種氧化錳/二氧化鈦光催化/熱敏催化涂層，同時(shí)氧化吸附在該涂層表面上的揮發(fā)性有機(jī)化合物和分解臭氧，生成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。氧化錳是納米級(jí)的，當(dāng)氧化錳/二氧化鈦涂層吸收紫外光的光子時(shí)，產(chǎn)生活性羥基。當(dāng)污染物被吸附到氧化錳/二氧化鈦涂層上時(shí)，活性羥基氧化污染物，生成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。氧化錳降低了臭氧分解所需要的能壘，將臭氧分解成氧分子。因而，氧化錳/二氧化鈦涂層也能同時(shí)將臭氧分解成氧。
文檔編號(hào)B01D53/86GK1805780SQ200480016764
公開(kāi)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, R·拉德哈里斯南, T·H·范德斯普特 申請(qǐng)人:開(kāi)利公司