[發明專利]一種用于降解氣相有機污染物的光電催化裝置

有效

• 申請號: 201010142544.3
• 申請日: 2010-04-09
• 公開（公告）號: CN101785971A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 謝長生;劉源;陳浩;李華曜;曾大文
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B01D53/86
• 分類號: B01D53/86;B01J19/12;A61L9/16
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于光電催化降解氣相有機污染物領域，特別是涉及一種新型 氣相光電催化組件及其配套裝置。

技術背景

隨著社會的發展，人類面臨的環境污染問題越來越嚴峻，特別是空氣 污染。比如家居、娛樂場所、汽車等室內裝飾材料釋放出的甲醛，甲苯等 揮發性有機物，這些有害氣體會給人體造成嚴重的傷害，導致呼吸道、內 臟器官等疾病。因此，解決這類揮發性有機物帶來的空氣污染問題，對人 們的健康顯得尤為重要。

傳統去除氣相有機污染物的方法是使用活性炭等大比表面積的吸附材 料。很明顯，它只是將氣體吸附到材料的表面，并不能解決分解并去除這 些有毒物質的要求，而且還受到氣體吸附量的限制。

半導體光催化氧化消除環境污染物的凈化技術，因其低廉的成本和廣 闊的應用前景，而日益受到人們的重視，并逐步發展為治理環境污染的一 項新技術。

光催化技術的原理是，半導體具有特別的能帶結構，由填滿電子的價 帶和空的導帶構成。價帶頂部和導帶底部存在一定的能級間隙，即禁帶。 半導體在受光照時，如果入射光子的能量大于或等于禁帶的寬度，價帶中 的電子就會被激發到導帶，從而在價帶中留下空穴。空穴有很強的氧化能 力，光生電子有很強的還原性，空穴可以與表面吸附的有機物發生反應， 奪取電子從而使有機物氧化分解，光生電子可以與氧氣反應，生成一系列 具有強氧化能力的活性氧基團，同樣能與有機物反應將其降解。光催化降 解有機物的最終產物為二氧化碳和水。半導體光催化技術去除有機污染物 的反應機理可參看附圖1。

光催化氧化法的降解過程可以發生在常溫常壓下，且能夠廣譜降解大 多數毒性有機物，沒有選擇性。另外，該方法無二次污染，使用的原料低 廉，可利用取之不盡用之不竭的綠色能源——太陽能。

目前研究的重點在于如何提高光催化劑的降解效率，其主要問題在于 傳統光催化劑的量子利用率太低，只有百分之幾。具體來說，光生電子和 空穴只有很少部分能遷移到晶粒表面，參與氧化還原反應，從而對有機物 的降解起到貢獻，其中絕大多數的光生電子會從導帶躍遷回價帶，與空穴 重新復合。這種光生電子和空穴的簡單復合幾率，直接決定了光催化過程 的量子利用率。由此可見，要提高催化劑的降解效率，根本上就是要減少 材料內部光生電子和空穴的簡單復合幾率。

研究表明如果采用光電聯合催化，即在催化劑受光照的同時加載一定 的外加電場，光生電子和空穴在電場的作用下會向相反的方向移動，使兩 者之間更有效地分離，減小了電子空穴的直接復合幾率，因此催化效率也 會得到大大提高。

目前光電催化已經成為半導體光催化技術的新熱點。有關光電催化的 研究報道主要是應用于水溶液中的有機物的降解，但是極少見到用于氣相 有機物降解的報道，特別是適用低壓下(＜1V)的氣相光電催化裝置還未 見報道。

中國專利CN1438913A(申請號：01810959.4)提出了一個光電催化系 統去除空氣污染物的裝置，但該設計需要施加3000-20000V的電壓到放電 板上，必須含有電壓提升裝置，且高壓對人體來說存在著明顯的使用安全 隱患。中國專利CN1754615A(申請號：200410051710.3)提出了一個用于 氣相降解污染物的光電催化反應器，結構復雜，不易擴展，很難滿足不同 的領域需求。

上述情況下，發明者考慮了現有氣相光電催化裝置，結構復雜或者需 要高壓供電等缺點，提出了更為理想的氣相光電催化裝置，其必須滿足兩 個最主要的要求：1、裝置只需要很低的供電電壓，并讓催化劑在低壓下就 能實現性能的明顯提高，即在更低的能耗下，實現更好的光電協同效應， 并且電壓要能夠很方便的加載在催化劑上。2、存在與裝置獨立的負載有光 催化劑的光電催化組件，可更換。并且組件在滿足一定結構的前提下，對 于組件的各個參數能夠很方便的擴展，使其滿足民用、工程用、實驗室研 究用等不同領域的需要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于降解氣相有機污染物的光電催化裝 置，該裝置能夠在更低的能耗下，實現更好的光電協同效應，并且電壓能 夠很方便的加載在催化劑上，此外該裝置還具有使用方便的特點。

本發明提供的一種用于降解氣相有機污染物的光電催化裝置，其特征 在于，該裝置的結構為：