[发明专利]具有混合光催化剂的光催化装置/二氧化硅结构

说明书

技术领域

本发明总的说来涉及光催化剂领域。更具体地，本发明涉及用于在使用紫外线光催化氧化(UV-PCO)技术的空气净化系统中降低光催化剂失活的装置。

背景技术

一些建筑物利用空气净化系统来除去气载物质，例如苯、甲醛和来自气源的其它污染物。这些净化系统中的一些包括光催化反应器，其利用包含光催化剂氧化物的基底或料筒。当放置在适当的光源(通常紫外光源)下时，所述光催化剂氧化物与气载水分子相互作用以形成羟基或其它活性物类。所述羟基然后攻击污染物并引发氧化反应，其将所述污染物转变为有害性较低的化合物，例如水和二氧化碳。进一步相信，水蒸汽、适当带能(energetic)的光子和光催化剂的组合还产生活性氧化剂，像过氧化氢，如W. Kubo和T. Tatsuma, 20 Analytical Sciences 591-93 (2004)所建议的。

常用的UV光催化剂是二氧化钛(TiO₂)，也称为钛白。已经发现Degussa P25二氧化钛和二氧化钨接枝的二氧化钛催化剂(例如在P25上的氧化钨)在紫外光源下除去有机污染物时尤其有效。参见Wei等的美国专利No.7,255,831 “Tungsten Oxide/Titanium Dioxide Photocatalyst for Improving Indoor Air Quality”。

使用UV-PCO技术的空气净化系统已经出现问题。现行的系统显示出随时间显著的催化能力损失。催化能力的该损失至少部分归因于空气中存在的挥发性的含硅化合物(VSCC)，例如某些硅氧烷。

空气中挥发性有机化合物(VOC)的总量通常是按体积大约百万分之一份。相反，VSCC浓度通常为两个或更多个数量级低。这些VSCC主要来自某些个人护理产品，例如除臭剂、洗发剂等，或某些清洁产品或干洗流体的使用，但它们也可能来自室温硫化(RTV)硅酮填塞(silicone caulks)、粘合剂、润滑剂等。当这些含硅化合物通过UV-PCO系统的光催化剂氧化时，它们形成包含硅和氧的相对非挥发性的化合物，其可以使光催化剂失效。硅和氧的非挥发性化合物的实例包括二氧化硅、氧化硅氢氧化物(silicon oxide hydroxide)、氢氧化硅、高级聚硅氧烷等。这些化合物可以在存在水蒸汽时至少部分水合或羟基化。如果通过包含硅和氧的所得非挥发性在活性部位的直接物理封闭进行失活，则仅仅提高催化剂表面积正如所料那样并不一定减缓失活的速率。

需要改进的UV-PCO系统以便能够帮助除去流体净化器中的流体所带的污染物并能够在通常遭遇水平的VSCC例如硅氧烷存在下有效地运行。

文献数据表明，TiO₂和ZnO能够产生气态氧化剂，可能为羟基(·OH)和过氧化氢基团(·OOH)，但最可能为过氧化氢(H₂O₂)。这些挥发性氧化剂能够达到至多100-500μm，且如果必要的话通过H₂O₂光分解转化为·OH。现在所得的羟基物类（隔原来的TiO₂光催化剂表面一定距离产生）能够氧化性地破坏不与TiO₂接触的有机化合物或薄膜，由此得名“远程”光催化氧化。氧化的薄膜材料的实例包括棕榈酸多层（palmitic acid multilayers）、灰粒和吸收的有机染料(亚甲基蓝)。

此类远程氧化最近已经针对有机硅化合物（包括十八烷基-三乙氧基硅烷(ODS)）进行了示范，(Tatsuma等(2002))并且涉及硅烷：十七氟-癸基三甲氧基硅烷(decatrimethoxysilane)、八癸基三乙氧基硅烷和甲基三乙氧基硅烷。据预期，此类含Si化合物将留下二氧化硅(SiO₂)残余物，这预计类似于由于来自美容产品等等的有机硅氧烷的吸附和降解而通过光催化剂制造的“二氧化硅”。

发明内容

公开了包括光催化剂和二氧化硅混合结构的催化装置。所述混合结构可以通过光催化剂和二氧化硅在基底上的交替层形成。在一替代性实施方案中，通过将具有光催化剂颗粒和二氧化硅颗粒混合物的层或具有光催化剂颗粒和二氧化硅颗粒的阶梯式混合物(graded mixture)的层施加至基底来形成混合结构。

附图说明

图1是紫外线光催化氧化空气净化系统的示意图。

图2是具有阶梯式混合物的混合结构的示意图。

图3是具有交替层的混合结构的示意图。

图4是举例说明作为以纳米计的入射光波长的函数的不同二氧化硅层状涂层的入射光百分比反射率。