一种净化空气材料的制备方法及应用
【专利摘要】本发明涉及一种净化空气材料的制备方法及应用，属于金属复合功能材料的制备技术。该方法包括将铝或铝合金基材进行脱脂处理，至表面完全润水；将高锰酸盐溶于水中，搅拌使其充分溶解后加入辅助剂氨水或尿素，搅拌至均匀混合；将上步骤处理所得的铝基材投入至混合溶液中再置于恒温水浴加热；最后取出铝基材料，洗涤并干燥。本发明制备工艺简便、成本低，易于实现大规模的生产。锰氧化物在铝基表面负载牢固，显著提升对室内空气中甲醛的净化效果。并可以在室温下快速降解室内空气中的甲醛，还可以进一步通过加热铝基材的方式提高甲醛净化性能，保证催化剂的长久使用。
【专利说明】
一种净化空气材料的制备方法及应用
技术领域
[0001]本发明涉及一种铝基材料表面上原位生长锰氧化物的方法，属于金属复合功能材料的制备技术。
【背景技术】
[0002]室内环境是人们生活、工作、学习和社交的主要场所。现代人至少有80%以上的时间是在室内环境中度过，室内的空气质量的优劣与我们的健康息息相关。室内的VOCs成分复杂，常见的有甲醛、苯系物、低级醇、酮等，其中甲醛的检出率较高。除了检出率高，甲醛还是室内空气中危害最严重的污染物。在室内环境中甲醛达到一定浓度时，人就会有不适感[Environ.Sc1.Technol.2014，48，5816-5822]。大于 0.08mg/m3 的甲醛浓度就可能引起皮炎、眼红、眼痒、眼刺激、咽喉不适或疼痛、声音嘶哑、喷嚏、胸闷、气喘等症状。若长期暴露在甲醛气氛中会对人体的健康产生不利的影响，甚至会导致癌症的发生。因此，在2011年，美国国家毒理学计划将甲醛列为已知的人类致癌物;而国际癌症研究组织遭到2004年就将甲醛确定为人类致癌物。
[0003]催化氧化技术是被认为目前比较有效、成熟的净化室内甲醛的方式。据报道，贵金属催化剂能在室温下将甲醛完全转化[Angew.Chem.1nt.Ed.2012,51,9628-9632]，但其成本过高，导致其推广应用的推广受限。除了贵金属催化剂，目前常用的金属氧化剂催化物有Mn02、Ti02、Fe203、Ce02、Co304[ACS Catal.2015,5,2260-2269；Ind.Eng.Chem.Res.2015,54,8900-8907 !Environ.Sc1.Technol.2011,45,3628-3634]等。其中氧化锰对于甲醛的去除具有较高的活性，为了实际应用，锰氧化物需要成型或负载在一些合适的载体上。目前关于负载氧化锰有如下报道。譬如，研究者们将氧化锰负载在氧化铝或活性炭颗粒上[Mater.Testing 2014,56(1):65-69]，但是这类颗粒型基材的风阻大，难以用于大风量的主动式空气净化设备。斯坦福大学的研究者将锰氧化物负载于多孔的纺织物上[Nan0.Lett.2010，10,708-714]，其制备过程需要先将石墨稀涂于纺织物的表面，制备过程复杂，而且负载的锰氧化物也不牢固，存在掉渣的现象，因此，需要开发一种风阻低、制备工艺简便、制备成本低的甲醛净化材料。
[0004]铝和铝合金作为最轻的工程结构材料之一，由于其密度小，比强度高，导热和导电性好，耐磨、耐蚀性好，色泽美观以及可塑性好和易于压力加工等特点，被广泛地被应用于航空航天，汽车，火车，电子，家电，轻便工具等领域。铝基复合材料是以铝或铝合金为基体，以其它金属，非金属，或其氧化物等为增强铝基性能的复合物。这种复合材料保持了铝基体的特性，同时其性能得到进一步的提高。由于铝基复合材料的性能主要取决于复合相的形貌、晶型、尺寸、性能及两相的结合。因此，开发铝基复合材料的性能及应用是铝基复合材料的重要研究领域。本申请要解决的问题是如何将锰氧化物牢固、简便地负载在铝基材料上，一方面借助铝基材料广泛的应用市场，推广应用锰氧化物，负载后锰氧化物更易于使用，同时也拓展了铝基材料的功能，提升了铝基材料的附加值。
[0005]现有的具有空气净化功能的空调器通常的做法是将空气净化装置/模块集成到室内空调器上，当气体在经过风道时，受净化装置/模块的阻力影响，大部分气体是未通过净化装置/模块而输出，这也是导致采用现有技术的具有空气净化功能的空调净化效率低且净化效果差。因此，将催化剂负载在空调器的散热器上，既能发挥空气净化装置的空气净化作用，又能在只开启空气温度调节功能时，使空气净化装置/模块风阻值低，从而不影响空调的进风量。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术存在的问题，提出一种净化空气材料的制备方法及应用。解决了如何将锰氧化物牢固、简便地负载在铝及铝合金材料上的问题。一方面借助铝基材料广泛的应用市场，推广应用锰氧化物，负载后锰氧化物更易于使用，同时也拓展了铝基材料的功能，提升铝基材料的附加值。本发明的目的是在铝基表面上原位生长锰氧化物，提供一种简便的甲醛净化材料的制备方法，使之获得的锰氧化物能够高效地降解室内空气中的甲醛。该甲醛净化材料的制备方法简便、成本低。本发明在铝基上原位氧化法负载的锰氧化物在室温下可降解室内空气中的甲醛，利用铝基材料的大表面积和易于制备等优点，同时还可以加热招基材料进一步提尚对室内空气中甲酉全的净化效率。
[0007]本发明的一种净化空气材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤:
[0008](I)将铝或铝合金基材进行脱脂处理，至表面完全润水；
[0009](2)将高锰酸盐溶于水中，搅拌使其充分溶解后加入辅助剂氨水或尿素，搅拌至均匀混合；
[0010](3)将步骤(I)处理所得的铝基材投入至步骤(2)的混合溶液中再置于恒温水浴加执.JtW ，
[0011 ] (4)将步骤(3)完成后的铝基材料取出，洗涤并干燥；
[0012]所述混合溶液中高锰酸盐的浓度为0.l_60g/L，氨水或尿素的浓度为1.0_40g/L。
[0013]所述铝基的表面积与高锰酸盐的浓度比为0.2-28cm2:0.l_60g/L。
[0014]所述步骤(I)中的脱脂处理采用清洗剂将铝基表面的油脂进行清洗，再用清水洗涤;所述清洗剂是酸性、碱性或有机溶剂的脱脂剂。
[0015]所述步骤(2)中的高锰酸盐为水溶性高锰酸盐，为高锰酸钾、高锰酸钠、高锰酸胺中的一种或它们的任意比组合。
[0016]所述步骤(3)的恒温水浴加热温度为室温_95°C，时间是0.5-12小时。
[0017]所述步骤(4)的干燥温度为室温_350°C。
[0018]本发明的一种净化空气材料的应用，其特征在于，所述净化材料可应用于需要对空气进行净化的设备、工艺品。
[0019]本发明的优点主要体现在:
[0020](I)采用原位还原法一步合成负载型的锰氧化物，制备工艺简便、成本低，易于实现大规模的生产。
[0021](2)锰氧化物在铝基表面负载牢固，可以通过调节高锰酸盐的浓度或氨水/尿素的浓度调节锰氧化物的负载量。
[0022](3)制备得到锰氧化物利用了铝基材料的大表面积和易于制备等优点，显著提升对室内空气中甲醛的净化效率。
[0023](4)所发明的净化材料可以在室温下快速降解室内空气中的甲醛，还可以进一步通过加热铝基材提高甲醛净化性能，保证催化剂的长久使用。
【附图说明】
[0024]图1为铝片负载锰氧化物前后的照片，图1a为铝片，图1b为锰氧化物负载后的/铝片。
[0025]图2为铝片负载锰氧化物前后的电子显微镜图示意图，图2a为铝片，图2b为锰氧化物/招片。
[0026]图3为空调器换热器表面负载锰氧化物前后的照片，图3a为未负载，图3b为负载后。
[0027]图4为铝片负载锰氧化物的XPS谱图。
[0028]图5为铝片负载锰氧化物室温下对甲醛的降解效果示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面通过具体实施例进一步说明本发明的优点，下述说明并不对本
【发明内容】
进行限制。
[0030]实施例1:
[0031]称取6g高锰酸钾，将其加入10mL纯水中，超声至完全溶解。随后加入4mL氨水溶液，搅拌混匀。将质量为20g的铝片经脱脂、碱洗去除表面的油脂和氧化层，用纯水清洗至表面完全湿润，然后投入上述的高锰酸钾-氨水混合液中。将此溶液置于恒温水浴40°C下反应5h。取出铝片，在60°C下烘干，即得到铝基负载的锰氧化物。
[0032]图1为铝片负载的锰氧化物的前后照片。铝片未负载时(图1a)，展现出银色的金属表面;负载后(图1b)，铝片的颜色呈现棕色，说明铝片的表面已经负载了大量的锰氧化物。
[0033]图2为铝片负载锰氧化物前后的扫描电镜图。由图2a可见未负载前，铝片的表面较为光滑;负载后(图2b)铝片的表面覆盖大量的锰氧化物纳米颗粒。
[0034]实施例2:
[0035]称取0.1g高锰酸钾，将其加入10mL纯水中，超声至完全溶解。随后加入Ig尿素，搅拌混匀。将质量为0.7g的铝片经脱脂、碱洗去除表面的油脂和氧化层，用纯水清洗至表面完全湿润，后投入上述的高锰酸钾-尿素混合液中。将此溶液置于恒温水浴95°C下反应10h。取出铝片，在105°C下烘干，即得到铝基负载的锰氧化物。
[0036]图4为铝基上负载的锰氧化物的Mn2p的XPS图。可以看出其中在653.4eV和641.7eV分别有2个特征峰，并且两个峰的能量间距为11.7eV，分别与二氧化锰中的Mn 2p1/2和Mn2p3/2相吻合，由此可以推断招基材料上负载的猛氧化物主为+4价的二氧化猛。
[0037]在室温下测定实施例2中所获得的负载的锰氧化物的铝基材料对甲醛的去除效果。在体积为3.5L，相对湿度为30?60 %，初始浓度为300mg/m3的测量瓶中放置8g负载的锰氧化物的铝基材料对瓶中的甲醛进行降解。每隔一小时测定瓶中的甲醛浓度，结果如图5所示。5小时后，瓶中的甲醛基本降解完，说明通过此方法制备的锰氧化物可以作为甲醛净化材料。
[0038]实施例3
[0039]将空调器的金属换热器的翅片上按照本发明的方法负载降解甲醛的催化剂(如附图3)。银白色的金属换热器的表面负载甲醛催化剂后，换热器表面呈现棕褐色。将换热器固定在空调室内机上，通过操控遥控器，即可实现空调功能和空气净化功能。当运行空调器的时，启动空气净化模式，室内空气通过进风口进入空调器壳体内的换热器，经过换热，换热器表面的催化剂对空气中的污染物进行降解，而后干净的空气从出风口流出。达到空气净化。在制冷模式或常温模式下工作的催化剂可以进行室内空气污染物的降解；当空调开启制热模式时，换热器上散发出来的热量能快速地处理在催化剂表面累计的中间产物，并显著提高对室内空气中甲醛的净化。
[0040]也可将用本发明的材料直接制成产品置于需要净化空气的空间内使用，在室温下直接分解空气中的甲醛和臭氧，再通过加热对催化剂进行快速再生。
【主权项】
1.一种净化空气材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤: (1)将铝或铝合金基材进行脱脂处理，至表面完全润水； (2)将高锰酸盐溶于水中，搅拌使其充分溶解后加入辅助剂氨水或尿素，搅拌至均匀混合； (3)将步骤(I)处理所得的铝基材投入至步骤(2)的混合溶液中再置于恒温水浴加热； (4)将步骤(3)完成后的铝基材料取出，洗涤并干燥； 所述混合溶液中高锰酸盐的浓度为0.l_60g/L，氨水或尿素的浓度为1.0-40g/L。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝基的表面积与高锰酸盐的浓度比为0.2-28cm2:0.l-60g/L。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)中的脱脂处理采用清洗剂将铝基表面的油脂进行清洗，再用清水洗涤;所述清洗剂是酸性、碱性或有机溶剂的脱脂剂。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的高锰酸盐为水溶性高锰酸盐，为高锰酸钾、高锰酸钠、高锰酸胺中的一种或它们的任意比组合。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的恒温水浴加热温度为室温-95 °C，时间是0.5-12小时。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的干燥温度为室温-350Γ。7.根据权利要求1-6所述的净化材料的应用，其特征在于，所述净化材料可应用于需要对空气进行净化的设备、工艺品。
【文档编号】B01D53/66GK105921145SQ201610280178
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】张彭义, 刘芳
【申请人】清华大学