[发明专利]光催化陶瓷

说明书

本发明涉及光催化陶瓷，具体地涉及用于生产抗菌光催化陶瓷的方法，其包括：‑制备可用的非晶态Ti；‑制备可用的基于钙磷酸盐的仿生材料或生物材料；‑用所述非晶态Ti将基于钙磷酸盐的所述仿生材料或所述生物材料功能化，从而获得功能化且取向的复合材料；‑将所述功能化的复合材料添加至陶瓷混合物，和/或在陶瓷半成品上施加所述功能化的复合材料，其中陶瓷半成品意指烘焙之前的陶瓷材料；‑在陶瓷半成品上施加所述功能化的复合材料；‑在600和1400℃之间、优选在900和1300℃之间的温度下烘焙持续从20至500分钟变化的时间，从而获得抗菌光催化陶瓷。本发明还涉及光催化陶瓷材料，其包含具有纳米结构化的分级结构的仿生材料，所述纳米结构化的分级结构有宏观腔或微观腔，在所述腔内以金红石晶态形式包括TiO₂，并且涉及包含光催化陶瓷材料的砖瓦、卫生洁具和餐具。

现有技术

陶瓷是建筑物中使用最多的材料之一，并且随着日益提高的兴趣，陶瓷在配件领域中常见到，在厨房和浴室配件区中用作覆盖物和/或用作制造硬质零件用的构造元件(例如工作台面和/或后挡板)。用途范围从住宅区到招待性行业(hospitality)和研究实验室。

使用具有抗微生物性质的陶瓷材料具有明显优势。光催化是通过光催化剂产生强氧化过程的自然现象，其将有机和无机污染物分解，从而将它们转化为无害物质。二氧化钛TiO₂从在光催化中研究最多的材料脱颖而出。TiO₂结合长期稳定性和对生物圈的低毒性与良好光催化活性。近年来对于大气和水的以下大范围污染物研究了TiO₂的光催化性质：醇类、卤化物、芳香烃类。进行的研究给出了对于有机酸、染料、NO_x等的有希望的结果。出于这些原因，TiO₂已经广泛用于表面处理中。

TiO₂的这些性质已应用在水中和空气中以及在表面上特别是在医疗/医院环境中的细菌和有害有机材料的去除。TiO₂的活性受各种因素的影响，例如晶体结构、表面、纳米颗粒的尺寸分布、孔隙率、TiO₂表面上的羟基基团的数量和密度。

事实上TiO₂以非晶态形式或以晶态形式存在，并且非晶态形式是无光催化活性的。已知TiO₂的三种天然晶态形式，称作锐钛矿、金红石和板钛矿。锐钛矿和金红石具有四方结构，而板钛矿的结构是正交的。板钛矿是较不常见的形式。锐钛矿和金红石是光催化活性的，而板钛矿从未被测试过光催化活性。与金红石相比，纯的锐钛矿作为光催化剂更有活性，可能是因为它在导带的边缘具有更高的负电势，这意味着光生电子的更高势能，和在其表面上更大数量的羟基基团。

Luttrell T.等人，Scientific Reports 4，文章号4043在2014年描述了金红石和锐钛矿的较高或较低的光催化活性可能取决于它们所沉积表面的性质和取决于在表面上所沉积涂层的厚度。例如，使用相同的表面条件，如果涂层厚于5nm，则锐钛矿达到其最大活性，而对于金红石而言2.5nm的涂层是足够的。可通过适当掺杂TiO₂来提高这种活性。近年来，科学文献已富有对用金属氧化物掺杂TiO₂的详细研究。

在300-500℃范围内煅烧时，观察到纯的锐钛矿形成。随着温度提高，观察到晶体的尺寸提高。在500-700℃之间煅烧时，获得混合的锐钛矿-金红石。