光触媒装置及系统的制作方法

背景技术：

纳米尺寸的金属氧化物材料，例如二氧化钛(tio2)，可以被用在基材的表面以形成颗粒膜并做为光触媒。光触媒可被应用于多种领域，包括食品、制药及化妆品工业。例如，在紫外线下，二氧化钛光触媒能够具有强烈的催化降解效果，且能够有效地降解空气中的有毒气体或有害气体，杀死各种细菌，并分解或解毒由细菌或真菌释放的毒素。此外，光触媒也可以做为除臭剂或抗污染物。

光触媒通常利用空气中氧及水分子来催化有机化合物的转化且将有机化合物转变成氧化碳(carbondioxide)及水。在这个过程中，光触媒在催化化学反应时保持不变，从而具有长期的有效性且低的维护成本。同时，二氧化钛本身是无毒的，且已广泛应用在食品、制药及化妆品工业上。

技术实现要素：

本发明涉及一种包含微细阵列多孔材料的光触媒装置及其实际应用。

本文公开的一些实施例提供包含表面积大于100cm²，例如20cm×20cm的高表面积对体积比的微细阵列多孔膜的光触媒装置。在一些实施例中，光触媒装置包含一个具有三维(3d)结构的大体积微细阵列多孔材料。

微细阵列多孔膜或具有三维结构的微细阵列多孔材料的孔径可以为，例如大约100nm至5mm。同时，在一些实施例中，这些材料的孔径具有实质上均一且变化量小于20％或小于10％的尺寸。这些特征与通过现有方法制造的多孔材料形成对比。例如，现有的金属发泡通常具有大于500μm的孔径及大约为14至3100/mm的比表面积，且具有大的孔径变化(例如大于100％)。

根据一些实施例的微细阵列多孔材料具有光子晶体的特性，且能够反射特定波长的光。例如，根据光触媒装置的一些实施例中的微细阵列多孔材料能够有效地反射光泵浦所发射出的紫外光(例如通过全反射)，允许通过光触媒装置有效地照射活化光的特征，从而显著地提高光触媒装置的光催化活性，并额外地减少由紫外光引起的对生物体的损害。

附图说明

图1是说明在一些现有的光触媒装置中做为载体的金属发泡；

图2是说明在本文公开的光触媒装置中使用的微细阵列多孔膜；

图3是说明一种具有光子晶体性质的可挠的微细阵列多孔膜；

图4是根据一些实施例，说明一种包含一个微细阵列多孔膜及一个光触媒膜的光触媒装置；

图5是根据一些实施例，说明一种包含一个微细阵列多孔膜及设置在其孔洞中的光触媒颗粒的光触媒装置；

图6是根据一些实施例，说明一个包含一个设置在微细阵列多孔膜/材料的表面的光触媒膜的光触媒装置；

图7是说明一种包含微细阵列多孔膜及led的光触媒装置及其多种态样；

图8是说明一种使用一个承载光触媒的多孔载体的照明装置；及

图9是根据本文中的一些实施例，说明一种使用一个承载光触媒的多孔载体的水或空气过滤系统。

具体实施方式

现有的光触媒通常采取纳米尺寸粉末的形式，其通常需要黏结剂将纳米颗粒紧密地黏附在一起并附着在一个多孔载体的表面上。黏结剂的使用会显著地减少光触媒的工作比表面积，从而明显地降低催化转化的效率。因此，为了达到催化反应所需的标准值，可能需要更多的光触媒材料。此外，光触媒可能需要被紫外光照射才能正常地工作。紫外光具有相对高的能量，可能导致一些材料的劣化，或者造成生物体细胞的病理变化。现有的光触媒通常需要多孔载体，其比表面积可以决定其所承载的光触媒的量及催化反应的能力。

光触媒可以使用金属发泡作为一个载体。图1说明一个现有金属发泡的微结构，包括一种具有可变的长度及位向的金属韧带(metallicligament)101的互连基质，且在邻近的韧带间形成有不同形状及尺寸的独立的空隙(孔洞)100。常规的金属发泡可能具有0.5至8mm且通常具有高于100％的变化量的孔洞尺寸。

本文公开的实施例提供一种可以在一个光触媒装置或系统中做为光触媒的载体的微细阵列多孔材料/膜。图2是根据一些实施例，说明一个在所述光触媒装置中做为载体的微细阵列多孔膜201。在剖视图202中，可以更清楚地看到微结构203。所述微细阵列多孔膜具有高的表面积对体积比，具有大于100cm²的表面积，例如20cm×20cm。所述微细阵列多孔膜可以具有约5μm至500mm的厚度，且可以具有约100nm至5mm的孔径。在一些其他实施例中，所述光触媒装置可以包括一个具有三维(3d)结构的大体积微细阵列多孔材料。

多孔材料，例如金属发泡及在本文中公开的微细阵列多孔材料，可以具有高的表面积对体积比，其可以描述为：

其中，sv是比表面积，d是单位为mm的平均孔直径，θ是多孔比。例如：当d＝0.01mm，孔径比为90％时，比表面积为2425/mm。

下面的表1比较常规金属发泡与本文公开的微细阵列多孔材料中以式(1)定义的参数。如表1所示，所述微细阵列多孔材料的比表面积可以高于3130/mm，例如高于4100/mm。然而，所述微细阵列多孔材料的比表面积也可以在10/mm至3130/mm的范围内；且对于由金属发泡无法匹敌的其他性能产生的各种应用仍将具有极好的性能。例如，根据一些实施例，比表面积大于10/mm的微细阵列多孔材料可以具有实质上均一的孔洞尺寸，例如小于20％的标准差，或小于10％的标准差。

表1

与具有相对低的比表面积且孔径不均匀的常规的金属发泡相比，所述微细阵列多孔材料具有大的比表面积且其中的孔也为高度均匀。

所述微细阵列多孔膜的一些实施例是如图3所示，可能为可挠的且可具有光子晶体的特性并可以反射特定波长的光，取决于不同的孔径及组成。所述微细阵列多孔膜的可挠性允许其被做为可挠式的电子/光学设备中的构件，例如穿戴设备。

在本文公开的还包括具有微细阵列多孔膜/材料的光触媒装置或系统。

在一些实施例中，如图4所示，一个光触媒装置400包含一个光泵浦410及一个光触媒构件420，其中所述光触媒构件420包括一个微细阵列多孔基底膜422及一个光触媒膜424。所述光触媒膜424被设置在所述微细阵列多孔基底膜422上以接收来自所述光泵浦410的激活光。在一些实施例中，一种例如为pva或pvb的黏结剂可用于将所述光触媒膜424附着在所述微细阵列多孔基底膜422的上表面。在一些实施例中，所述光泵浦410可以是不必要的且激活光可以来自于太阳或环境。所述微细阵列多孔基底膜422的孔径可以大于或小于所述光触媒膜424的颗粒的尺寸。

在图4所示的实施例中，微结构423的放大视图具有双尺寸结构，其中，微细阵列多孔膜具有实质上小于所述光触媒的颗粒的尺寸的孔径。所述微细阵列多孔基底膜422可以由例如为ni、cu等的金属，例如为sio2等的陶瓷，或者例如为聚苯乙烯(ps)或pmma[聚(甲基丙烯酸甲酯)]的聚合物所制得。所述光触媒膜424可以由cu2o、zno、tio2、mn2o3、nio及nio2等所制得。

在一些实施例，如图5所示，一个光触媒装置500包含一个光泵浦510及一个光触媒构件520，其中所述光触媒构件520包括一个微细阵列多孔载体522及多个光触媒颗粒524。所述多个光触媒颗粒524的直径小于所述微细阵列多孔载体522的孔径，且被涂覆在所述微细阵列多孔载体522的孔内的载体材料的表面上。涂覆可以通过例如浸渍所述光触媒纳米颗粒的溶胶-凝胶然后固化来完成。在一些实施例中，所述光泵浦510可以是不必要的且激活光可以来自于太阳或环境。所述微细阵列多孔载体522可以由例如为ni、cu等的金属，例如为sio2、zno、tio2、mn2o3、nio、nio2等的陶瓷，或者例如为ps或pmma的聚合物所制得。所述光触媒颗粒524可以由cu2o、zno、tio2、mn2o3、nio及nio2等所制得。

在一些实施例中，如图6所示，所述光触媒装置600包含一个光泵浦610及一个光触媒构件620，其中所述光触媒构件620包括一个光催化微细阵列多孔膜622。在一些实施例中，所述光催化微细阵列多孔膜622可以完全由例如为cu2o、zno、tio2、mn2o3、nio及nio2的光催化材料所组成。在一些实施例中，所述光催化微细阵列多孔膜622可以由一个金属微细阵列多孔膜所构成，具有其表面被氧化所形成的一种相同金属的光催化活性金属氧化物。例如包括ni/nio2、ti/tio2、zn/zno或cu/cu2o等。在一些实施例中，所述光泵浦610可以是不必要的且激活光可以来自于太阳或环境。在包含金属微细阵列多孔膜及金属氧化物触媒的一些实施例中，所述光触媒装置还可以包含一个加热部件。所述加热部件被耦合并用于加热所述金属微细阵列多孔膜，以提高所述金属氧化物触媒的温度，从而提升光触媒装置的光催化能力。

根据如图5及图6所示的实施例，所述微细阵列多孔触媒构件520及620的非常高的比表面积的结果，与现有的光触媒装置相比，所述光触媒装置500及600被光所照亮的可能性显著地增加。

此外，在图4至6所示的实施例中，通过控制所述光触媒424、524或622的组成以及所述光触媒构件420、520或620中的所述微细阵列多孔膜422、522或622的孔径，可以实现对具有给定波长的激活光的全反射。由所述微细阵列多孔膜反射的光能够显著地提升光子(例如紫外光子)与所述光触媒相互作用的可能性。此外，紫外光对生物体造成的损害也可以有效地被这个特征所降低。

对于垂直(90°)照亮微细阵列多孔膜的光，可以通过校正的布拉格方程式描述膜的光反射特性：

λc＝2neff×d(2)

neff＝[nair²×f+material²×(1-f)]^1/2(3)

其中，λc是被反射的光的波长，neff是有效折射率(effectiverefractiveindex)，d是微细阵列的相邻孔洞间的距离。nair及nmaterial分别是空气及多孔材料的折射率；f是微细阵列多孔材料中的空气气泡的体积因子；d＝(2/3)^1/2d，其中d是空气气泡的直径。

下表2根据一些实施例总结用于所述光触媒装置的微细阵列多孔膜中使用的三种组成物的参数。根据表2，如果使用tio2制成的微细阵列多孔膜，使用ntio2＝2.50及nair＝1，f＝0.74，及对于uv波长λc＝365nm，可以计算出d＝190nm。

表2

tio2/zno的带隙(eg)为约3.2ev，对应于约1240/3.2＝385nm的波长。因此，tio2或zno可以吸收波长小于385nm的光，激活光催化效应。类似地，cu2o具有约2.1ev的eg，对应于约1240/2.1＝590nm的波长。因此，cu2o可以几乎吸收所有波长小于590nm的光，激活光催化效应。其他的直接带隙材料如mno、mn2o、ruo等也可以具有光催化作用，其不同的eg决定了微细阵列多孔材料的孔径。

图7说明一种根据本文公开的一些实施例的光触媒装置。所述光触媒装置700包含一个包括一个承载光触媒的微细阵列多孔膜的光触媒构件720，做为光泵浦以对所述光触媒构件720提供激活光的至少一个led710，及一个其上设置有所述至少一个led710及所述光触媒构件720的基板730。

所述光触媒构件720包括一个承载光触媒的微细阵列多孔膜，且可以采取如图4至6所示的实施例420、520及620其中之一的形式。所述光触媒构件720及所述至少一个led710可以被配置为使得由所述至少一个led710发射的激活光照射在所述光触媒构件720上以让所述光触媒构件720的表面发生光催化反应。其中一个led的横截面剖视图说明所述光触媒装置的各种实施态样。所述光触媒构件可以具有例如为矩形(a)、梯形(b)或曲线(c)等的形状。尽管在图7所述的实施例中，所述光触媒构件720具有与所述led710相当的宽度，应当注意的是，其他的实施态样是可能的。所述光触媒构件720的尺寸可以比所述led的尺寸显著的更大(例如更宽)。特别地，所述光触媒构件720的类似图7所示的一种反向「u」形的形状能够增加表面积，因为所述光触媒构件720的两侧会与空气接触。此外，可以提高空气热对流/交换。

图8说明一个包含一个承载光触媒的微细阵列多孔载体的照明装置。所述照明装置800包含一个光源810及一个光触媒膜820，其中所述光触媒膜820包括一个承载光触媒且为透明的微细阵列多孔载体，微细阵列多孔载体设置在所述光源810上以让所述光源810发射的光能够通过所述光触媒膜820且光学激发所述光触媒膜820承载的所述光触媒。在一些实施例中，所述照明装置800还可以包含一个包括一个承载光触媒的微细阵列多孔载体的光罩830，其中所述光罩/反射器830设置在所述光源810的周围以允许由所述光源810发射的更多光可以光学激发所述光罩承载的所述光触媒。在一些实施例中，所述照明装置800更可以包含一个设置在所述光源810的外表面上的壳体811。所述壳体811基本上包括一个承载光触媒的微细阵列多孔载体，及/或具有设置在孔中的所述光触媒颗粒，并允许由所述光源810发射的光去光学激发所述壳体811中的所述光触媒。

在本文公开的所述光触媒装置可以有许多种应用。在一种应用中，一个光触媒装置可以安装在冰箱中以帮助保持食物新鲜以及提供照明。所述装置可以避免在紫外线下细胞/营养物质的食物降解或病理降解。

在另一种应用，一个光触媒装置可以被做为用来保持鲜花新鲜，同时避免使用直接的紫外光而损害鲜花。

在另一个应用中，一个光触媒装置可用于室内或室外照明。所述光触媒装置如果做为一个外壳的一部分，一个照明装置的一个基板或一个散热器，并且被设计为能够在所述光催化反应中利用可见光，则因为所述微细阵列多孔膜的高比表面积而能够具有促进空气循环的优点及具有最佳催化活性。

在另一个应用中，一个光触媒装置可做为植物培养设备，其可以通过向植物提供光并有效地杀死有害的细菌及真菌来促进植物生长。

在另一个应用中，一个光触媒装置可做为医院或一般室内卫生的照明。所述紫外光泵浦触媒可以杀死细菌同时减少人体暴露在紫外光下。例如，所述紫外光泵浦不仅可以通过活性氧物质来杀死病菌，也可以通过刺激病菌的致死突变来杀死病菌。所述装置可以有空气流过同时在空气中杀死细菌，由于光子晶体性质的全反射，对环境的紫外线泄漏很少或没有。在一些其它实施例中，非紫外光被用作光泵浦，而不需要紫外光的直接杀菌特性。

在一些应用中，所述光触媒可以通过可见光被光学激发。在一些实施方案中，被可见光光学激发的光触媒可以做为用于杀菌及/或除臭功能的led照明装置的一部分。例如，承载光触媒的所述微细阵列多孔膜可以设置在所述led照明装置(例如led灯)的散热器上，并且可以具有杀菌/除臭/散热功能。

根据公开的一些实施例，图9说明一种使用一个承载光触媒的多孔载体的水或空气过滤系统900。所述过滤系统900包含一个过滤器单元903及一个光催化单元904，其中所述过滤器单元903及光催化单元904被配置为使得例如为水或空气的介质901可以必然流过所述过滤器单元903及光催化单元904，分别用于去除在介质901中的颗粒及用于介质901的光催化处理。在一个实施例(图9a)中，所述光催化单元904可以包括至少一个光源915及至少一个微细阵列多孔载体914，其中至少一个微细阵列多孔载体914承载光触媒，且光触媒设置在多孔载体914的外表面及/或孔洞中。所述光源915发射的光能够激活所述微细阵列多孔载体914中的光触媒，从而通过所述光催化单元904净化水或空气。在所述光催化单元904的另一实施态样(图9b)中，所述承载光触媒的微细阵列多孔载体924本身可以形成过滤器，除了通过所述光源925发射的光所激发的光催化功能，还可以过滤从所述光催化单元904流过的空气或水中的颗粒。

在一些实施例中，一个使用一个承载光触媒的微细阵列多孔膜的装置可用在空气过滤/净化装置。光催化活性微细阵列多孔膜可以过滤掉空气中的灰尘及污染物。同时，所述光触媒对所述空气过滤装置增加杀菌/除臭功能。

在一些实施例中，一个使用一个承载光触媒的微细阵列多孔膜的装置可用在水过滤/净化装置。在阳光下，光催化活性微细阵列多孔膜可以过滤掉水中的灰尘及污染物，且具有杀菌/去污功能。另外，若结合led灯，这样的装置可以用在养鱼场，以提供照明及稳定ph值及水质；所述装置可以光催化去除水中的鱼产生的硝酸盐及胺类。

本文公开的一个或多个实施例的优点可以包括以下的一个或多个。(1).所述微细阵列多孔膜的比表面积远大于金属发泡及其他载体的比表面积，因此当做为光触媒的载体时是一个具有显著催化能力的优异载体。(2).所述微细阵列多孔膜具有光子晶体的特性，且可以反射特定波长的光，从而显著地提升光子与光触媒间相互作用的可能性。(3).与金属发泡相比，使用所述微细阵列多孔膜作为载体可以减少紫外线漏出(没有与光触媒相互作用的部分)，从而降低紫外光下生物细胞病理降解的可能性。(4).当在可见光波长范围内实施时，承载光触媒的所述微细阵列多孔膜可以是用作能够消毒及去污的照明系统的led照明装置的一部分，或做为除臭剂。

根据本文公开的一些实施例的制造系统可以制造合适的微细阵列多孔膜。所述系统可以包括一个配置成制造胶体颗粒模板的胶体颗粒模板形成部；一个被配置为用浸润物质渗透所述胶体颗粒模板的渗透部；以及一个被配置为去除胶体晶体模板并保持浸润物质基本上完好无损的模板去除部。

根据一些实施例，制造微细阵列多孔材料的步骤可以包括：(i).表面带电粒子沉积以形成阵列(组装程序)，(ii).沉积/渗透，及(iii).去除模板。所述系统可以包括分别实现上述步骤的构件(例如，模块)。可以使用可移动导电胶带(movableconductivetape)将所述胶体颗粒模板输送到每个槽(tank)的防水入口(waterproofinlet)及出口间。

更具体地，可以包括以下步骤。

(1).可以在电泳槽中配置一个含有单分散的胶体纳米球悬浮液的电泳液。工作电极可以包括一个被配置为进入电泳槽的可移动连续导电胶带，提供一个用于在电泳槽中形成胶体颗粒模板的表面，如果胶体颗粒模板的电泳自组装完成则自电泳槽中移出。工作电极可以以一个可变速率进入。在一些实施例中，所述工作电极可以是固体，例如金属板、硅芯片、ito玻璃等。

(2)所述胶体颗粒模板可以例如使用导电胶带或其他基板被运输通过烤箱来干燥。所述干燥程序可以在所述模板移动的同时(即动态)，或所述模板在烘箱内静止时进行。

(3).来自携带干燥的胶体颗粒模板的电泳部的工作电极(例如，胶带)可以供给到一个电镀用(例如电镀、sol-gel、cvd、pvd等)的沉积槽中。使用均匀堆栈的颗粒的微细阵列做为模板，金属、聚合物、陶瓷或其它材料可以被电镀在所述模板上填充颗粒间的空隙，在胶体颗粒模板上形成微细阵列多孔膜。

(4).可以使用蚀刻溶液除去所述胶体颗粒模板，因此可以获得所述微细阵列多孔膜。图5显示一个具有高比表面积的微细阵列多孔膜的一个具体例。

所述微细阵列多孔膜可以在制造过程中被设计成具有特定的孔径及材料，使得其具有特定的光学特性，例如反射/吸收特定波长的光，如上述表2所述。

一个或多个光触媒可以被设置在所述微细阵列多孔膜的侧壁或表面上。

所述光触媒可以渗透到孔中，允许它们与光相互作用的可能性更高。在一些实施例中，使用透明材料来形成所述微细阵列多孔膜，使得至少一些光可透过其进行照明。在一些其它实施例中，所述微细阵列多孔膜被设计成吸收特定波长的光以增加光触媒的活化。与具有相对低的比表面积及孔径不均匀的常规金属发泡相比，所述微细阵列多孔材料具有更大的比表面积，且其中的孔也是高度均匀。

作为微细阵列多孔膜的孔径及厚度的设计的结果，所述膜选择性地反射及/或吸收特定波长(例如uv)的光，且反射光可以进一步与光触媒反应，从而提高光子与光触媒间的整体反应机率。

所述基板可以从包括紧密堆积的孔的微细阵列多孔膜中除去，且所得到的膜可以具有大的面积。所得到的膜也可以是可挠的，允许所述系统采取许多不同的及/或可挠的形状。

所述微细阵列多孔膜可以被切割以获得用于各种应用的膜或特定的形状及尺寸。

在一些实施例中，由组装程序所形成的所述胶体颗粒模板可以由聚苯乙烯(ps)、sio2、pmma[聚(甲基丙烯酸甲酯)]或具有球形的任何粉末物质所制得，其粒径范围约为100nm至5mm，且直径变化(例如，标准偏差)约为±20％，最佳约为±10％。例如，在一个实施例中，粒径为约200nm±40nm；在另一个实例例中，粒径为约300nm±60nm。颗粒可以具有球形的形状，且可以是中空或固体球体。在一些其它实施例中，可以采用非球形的形状。

在制造过程中，根据一些实施例，采取了一些步骤以避免所述光触媒颗粒被粘结材料覆盖。在一些实施例中，所述led晶片可以先用透明的硅氧烷封装来保护，然后可以将所述光触媒颗粒设置在封装上，并且可以在与空气接触的同时接收泵浦光。

所述led基板可以是可挠的、多孔的或固体的。所述微细阵列多孔膜可以用触媒浸泡然后干燥，并随后黏合到基材上。

除了本文公开的所述光触媒装置及系统，在其他实际应用中，一个微细阵列多孔材料可以当做其它化学触媒的载体，因为其显著大的比表面积使其成为一个用于优化催化的触媒载体的理想选择。在一个实施方案中，一个汽车三元催化转化器可以包含一个承载三元触媒的微细阵列多孔材料，其包含铂、钯及铑中的至少一种，在同时还原氮氧化物以及氧化一氧化碳及未燃碳氢化合物的方面具有改进的性能，从而实现更好的车辆排放控制。在另一个实施方案中，一种燃料电池可以包括一个承载适当的触媒(例如铂及镍)的微细阵列多孔材料，在其阳极及/或阴极上以允许其中发生优化的化学反应。在另一个实施方案中，一个承载一些酸触媒(例如氧化铝及硅铝酸盐)的微细阵列多孔材料，可用于石化工业，例如在流化催化裂化和加氢裂化中。

惟以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明申请专利范围及专利说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。