一种过滤层结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及空气净化领域，具体涉及一种过滤层结构及其制备方法，可用于空气净化器中。


背景技术：

2.空气污染问题日益严重，尤其是在装修好的新房内、新添置的家具周围、生产车间等人体周围密闭环境内，空气质量与人体健康密切相关。空气净化器是常见的净化空气的装置，使用空气净化器能够去除空气中的颗粒污染物和有机气体污染物，如粉尘、甲醛等等。光催化空气净化器是在光照作用下使得光触媒颗粒产生光催化反应，光催化反应过程中，会消耗空气中的有机气体污染物，从而达到净化空气的目的。
3.光催化反应是在光催化空气净化器的过滤层中进行，具体地，光触媒设置在过滤层中，光触媒材料在光照作用下与待净化空气产生光催化反应，过滤层的结构对光触媒光催化反应的充分进行起关键作用。光触媒材料是光催化反应的核心部分。现有的过滤层结构中对光触媒材料的改进仅限于某一个方面进行，例如，增加光触媒颗粒的数量或增加光触媒颗粒的比表面积。具体地，现有的光催化空气净化器的过滤层为多层堆叠的网状结构，在网状结构中设置尽可能多的光触媒颗粒，从而提升净化效率。忽视了对光触媒材料本身的结构进行改进，以提升光催化空气净化器的净化效率。现有的对光触媒材料本身的改进仅限于制备尺寸更小的光触媒颗粒，通过增加光触媒颗粒的比表面积提升空气净化效率。然而，光催化反应的充分进行与多个方面的因素密切相关，例如光触媒材料与光场的相互作用是否充分、光触媒材料与待净化空气的相互作用时间是否足够长、待净化空气的流动性是否较强等等。
4.综上所述，现有的过滤层结构中对光触媒材料的改进仅局限于某一方面，忽视了光催化反应的充分进行需要光场、待净化空气、光触媒材料的共同相互作用，导致过滤层结构的空气净化效率难以进一步提升。


技术实现要素：

5.为解决以上问题，本发明提供了一种过滤层结构及其制备方法。本发明提供的过滤层结构由上到下包括第一结构层、第二结构层、活性炭层。具体地，第一结构层为光触媒纳米棒，第二结构层为光触媒纳米颗粒，光触媒纳米棒的长度所在直线与光触媒纳米颗粒所在平面不垂直。活性炭层用于吸附颗粒污染物和部分污染气体，第一结构层和第二结构层用于在光照作用下，与待净化空气产生光催化反应，利用光催化反应消耗掉空气中的有机污染气体。光触媒纳米颗粒和光触媒纳米棒的材料为二氧化钛。
6.上述过滤层结构的制备方法，包括如下步骤：s1，在活性炭层上制备光触媒纳米颗粒；s2，在光触媒纳米颗粒远离活性炭层一侧制备光触媒纳米棒。具体地，步骤s1利用沉积技术或旋涂技术完成，其中基底为活性炭层；步骤s2利用电子束蒸发镀膜技术完成，基底为制备有光触媒纳米颗粒的活性炭层。更具体地，步骤s1包括：s11，配置旋涂液，旋涂液的溶
剂为去离子水，每100ml去离子水溶液中放入1-2g光触媒纳米颗粒，优选地，每100ml去离子水溶液中放入1.5g光触媒纳米颗粒。配置好的旋涂液通过水浴超声进行超声分散，使得光触媒颗粒充分分散于去离子水中。s12，在活性炭层上进行旋涂，旋涂时转速设置为300-500rpm，旋涂时间为20-40s。步骤s2中蒸镀腔内的压强为6.5
×
10-7
torr，蒸镀速率为蒸镀时间为30-40min。蒸镀得到的过滤层结构在退火炉中退火，退火后自然降至室温即得到上述过滤层结构。
7.本发明的有益效果：本发明提供了一种过滤层结构及其制备方法。本发明公开的过滤层结构中第一结构层为倾斜的光触媒纳米棒。一方面增加了光触媒材料的表面积；另一方面，使得空气局域在倾斜光触媒纳米棒的锐角区域，从而增加了与光触媒材料接触的时间；再一方面，倾斜的光触媒纳米棒将光场局域在光触媒材料附近，使得光场与光触媒材料的相互作用更加充分。因此，本发明同时提升了光触媒与空气、光触媒与光场的相互作用强度和时间，使得光场、空气、光触媒材料的共同相互作用更加充分，即光催化反应更加充分，从而提升空气净化效率。相比于单从某一方面提升净化效率，本发明过滤层结构由于同时考虑了多方面的影响因素，各因素之间相互增强，因此，本发明过滤层结构的净化效率较高。
8.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
9.图1是一种过滤层结构的平面示意图；
10.图2是一种过滤层结构的立体示意图。
11.图中：1、第一结构层；2、第二结构层；3、活性炭层。
具体实施方式
12.为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
13.本发明提供了一种过滤层结构及其制备方法，如图1和图2所示，包括第一结构层1、第二结构层2、活性炭层3。具体地，第一结构层1固定设置于第二结构层2的一侧，活性炭层3固定设置于第二结构层2远离第一结构层1一侧。更具体地，活性炭层3为多孔状的活性炭材料，可以是活性炭网，也可以是活性炭棉，用于吸附待净化空气中的颗粒污染物和部分气体污染物，同时还为第二结构层2提供支撑，起到支撑第二结构层2的作用。活性炭层3的厚度大于0.5mm，活性炭层3的吸附净化效果和支撑效果与活性炭层3的厚度直接相关，厚度大于0.5mm，使得活性炭层3的吸附效果和支撑效果较好，能够将颗粒污染物完全吸附。优选地，活性炭材料中孔的尺寸为微纳米数量级，这样表面积更大，能够吸附更多较小的颗粒污染物，同时还能对第二结构层2起到更好的支撑作用。
14.第二结构层2的材料为光触媒纳米颗粒，光触媒纳米颗粒通过沉积、旋涂等方式固定设置于活性炭层3一侧，光触媒纳米颗粒的尺寸小于800nm，优选地，尺寸为5-500nm，这样光触媒纳米颗粒的比表面积较大，能够光场和空气进行充分接触，进而使光催化反应成分进行，同时光触媒纳米颗粒的尺寸与活性炭层3的孔粒径相当，不会使得光触媒纳米颗粒掉入活性炭层3内。优选地，光触媒纳米颗粒的间距大于光触媒纳米颗粒的半径，这样，才能够
在其上制备出光触媒纳米棒，具体地，蒸镀时的沉积核的距离过小会使得沉积于其上的光触媒纳米棒容易相互接触，使得光场难以照射到光触媒纳米颗粒，从而降低净化效率。光触媒纳米颗粒的尺寸可以相同，也可以不相同，光触媒纳米颗粒的尺寸相同，方便制备，光触媒纳米颗粒的尺寸不同，方便在光触媒纳米颗粒远离活性炭层3一侧制备出粗细不同的光触媒纳米棒，光触媒纳米棒的粗细与其内部局域光场的中心波长相关，即不同粗细的光触媒纳米棒能够居于不同中心波长的入射光，从而扩展了光触媒材料的吸收波长，对光场的利用率更高，使得光触媒材料内部光生电子和空穴的浓度更高，光催化反应更充分进行，从而进一步提升空气净化效率。更具体地，光触媒纳米颗粒可以为一层，也可以为多层，优选地，光触媒纳米颗粒铺设有多层，更优选地，光触媒纳米颗粒的层数小于20，这样保证空气能够通过，同时也使得远离活性炭层3一侧的光触媒纳米颗粒层表面平整，使得方便在该光触媒纳米颗粒层上设置第一结构层1。
15.第一结构层1为光触媒纳米棒，且光触媒纳米棒固定设置于光触媒纳米颗粒表面。具体地，光触媒纳米棒的一端固定设置于光触媒纳米颗粒的一侧，光触媒纳米棒可以设置在光触媒纳米颗粒对应的相同位置，也可以设置在光触媒纳米颗粒对应的不同位置，光触媒纳米棒的倾斜角度可以相同，也可以不同，优选地，光触媒纳米棒设置在光触媒纳米颗粒对应的相同位置，且光触媒纳米棒的倾斜角度相同，这样方便制备，设置相同的倾角一侧蒸镀即可完成制备。光触媒纳米棒的长度小于光触媒纳米颗粒直径的10倍，这样，光触媒纳米颗粒和光触媒纳米棒的尺寸相当。
16.具体地，如图1和图2所示，光触媒纳米棒倾斜设置于光触媒纳米颗粒上，不与光触媒纳米颗粒所在的平面垂直。这样，一方面，光触媒纳米棒的设置增大了光触媒材料的表面积，使得光触媒材料与空气和光场相互作用的面积更大，这样光催化反应的活性位点更多，从而提升光催化反应的强度，使得过滤层结构的净化效率提高；另一方面，光触媒纳米棒倾斜设置，阻挡了由活性炭层3垂直向上排出的空气，即光触媒纳米棒的方向与空气的速度方向不平行，空气运动到光触媒纳米棒附近被阻挡，形成风阻，在光触媒纳米棒和光触媒纳米颗粒之间的锐角区域形成环形气流，使得空气与光触媒材料之间多次相互作用，这里的光触媒材料包括第二结构层2的光触媒纳米颗粒和第一结构层1的光触媒纳米棒，增加作用次数，即增加了相互接触的时间，光催化反应进行的时间较长，光催化反应充分进行，从而提升过滤层结构的空气净化效率；再一方面，光场照射在上述锐角环流区域，由于不能直接散射会局域于该环流区域，从而与光触媒材料多次相互作用，光场能够在光触媒材料中激发出较多的光生电子和空穴参与到光催化反应中，使得光催化反应充分进行，从而空气净化效率较高；再一方面，由于光触媒材料的折射率大于1，如二氧化钛的折射率为2.6左右，在光场作用下，光场被局域在光触媒纳米棒和光触媒纳米颗粒中，局域光场的中心波长与光触媒纳米棒和光触媒纳米颗粒的形状和尺寸密切相关，光触媒纳米棒和光触媒纳米颗粒的尺寸相当，二者局域光场的中心波长均处于紫外波段且波长差距在振荡光谱的半宽范围内，使得光触媒纳米颗粒内振荡的光场能够在光触媒纳米棒内振荡，光触媒纳米棒内振荡的光场能够在光触媒纳米颗粒内振荡，这样光触媒纳米颗粒和光触媒纳米棒内部的局域光场之间产生耦合，相互增强，使得光触媒纳米颗粒和光触媒纳米棒内的局域光场强度增大，从而增强了光场与光触媒材料的相互作用，使得光触媒材料中能够产生更多的光生电子和光生空穴，从而促进光催化反应的进行，使得净化效率得到提升。
17.本发明过滤层结构从光触媒与空气、光触媒与光场的相互作用强度和时间角度，针对过滤层结构进行改进，使得光场、空气、光触媒材料的共同相互作用更加充分，即光催化反应更加充分，从而提升空气净化效率。相比于单从某一方面提升净化效率，本发明过滤层结构由于同时考虑了多方面的影响因素，各因素之间相互增强，因此，本发明过滤层结构的净化效率较高。
18.更具体地，光触媒纳米棒的粗细可以相同也可以不同，光触媒纳米棒的粗细取决于对应光触媒纳米颗粒的直径和光触媒纳米棒的倾斜角度。光触媒纳米颗粒的直径越大，光触媒纳米棒的长度方向与光触媒纳米颗粒所在平面的法向方向之间的夹角越小，光触媒纳米棒越粗，这是因为光触媒纳米棒是以光触媒纳米颗粒为沉积核蒸镀得到，且蒸镀的底面积为沿蒸镀材料初速度方向的阴影面积。光触媒纳米棒是一次蒸镀得到，即倾斜角度相同，光触媒纳米棒的粗细完全取决于光触媒纳米颗粒的大小。光触媒纳米棒的直径大于对应光触媒纳米颗粒直径的一半，这样才能够使得光触媒纳米棒不至于太细折损；小于对应光触媒纳米颗粒的直径，这与蒸镀时的沉积核大小相关，即最大与光触媒纳米颗粒的直径相等。光触媒纳米棒的长度可以相同也可以不同；光触媒纳米棒的长度相同，这样制备方便，一次蒸镀相同时间即可；光触媒纳米棒的长度不同，使得不同光触媒纳米棒上振荡的光场的中心波长不同，这样光触媒纳米材料能够与不同中心波长的光场充分地相互作用，提升光场利用率，从而在光触媒材料中产生更多的光生电子和空穴，空气净化效率较高。本实施例中光触媒材料为二氧化钛。
19.优选地，第二结构层2光触媒纳米颗粒之间设置有粒径更小的光触媒纳米颗粒，尺寸为2-50nm。在光场照射下，小尺寸的光触媒纳米颗粒内部局域更短波长的光场，小尺寸的光触媒纳米颗粒内的局域光场与周围尺寸较大的光触媒颗粒内部的局域光场和光触媒纳米棒内的局域光场相互耦合，使得光触媒材料强吸收的光场的波长范围更宽，从而光触媒与光场的相互作用更加充分，使得净化效率更高。
20.优选地，光触媒纳米棒靠近光触媒纳米颗粒一端较粗，远离光触媒纳米颗粒一端较粗较细，即光触媒纳米棒为尖锥状。这样，一方面，光触媒纳米棒与光触媒纳米颗粒一端接触面积大，且光触媒纳米棒的重心更靠近光触媒纳米颗粒，这样更稳定。另一方面，使得更多的光照射在下层的二光触媒纳米颗粒上，使得光触媒纳米颗粒与光场的相互作用更强，产生更多的光生电子和空穴参与到光催化反应中，提升净化效率；再一方面，不平行的锥形侧面使得光触媒纳米棒能够吸收不同方向的入射光，即入射光以不同的倾斜角度耦合进光触媒纳米棒，耦合光场靠近光触媒纳米颗粒一侧传播，使得更多光场局域在光触媒纳米棒较粗一端，即局域在光触媒纳米棒与光触媒纳米颗粒的界面处，这样能够与更多空气接触，从而在光触媒纳米棒与光触媒纳米颗粒的界面处同时聚集更多的光场和吸附更多的空气，从而光催化反应更充分，提升空气净化效率；再一方面，照射在光触媒纳米棒表面上的光场会传播到相邻光触媒纳米棒的表面，使得附近光触媒纳米棒与光场的相互作用更强，从而使得光场与光触媒材料的相互作用更充分，光催化反应更充分，净化效率更高。
21.上述过滤层结构可以沿第一结构层1、第二结构层2、活性炭层3的轴线方向多层组合在一起使用，以提升净化效果。多层组合后需要将光源设置在组合的各层之间，因为活性炭层3会阻挡光照使得远离光源一侧的第一结构层1、第二结构层2处没有光照，从而不能进行光催化反应，对空气净化没有贡献。
22.应用时，本发明的过滤层需要设置在光催化空气净化器的内部，使得待净化空气由活性炭层3一侧流入本发明过滤层结构，净化后的空气由第一结构层1一侧流出，最终通过光催化空气净化器的出风口排出。光源为紫外光源或紫外-可见光源。光源设置在本发明过滤层结构一侧，即光源发出的光照射在第一结构层1表面，具体地，可以是垂直入射也可以是斜入射，优选地，光源发出的光斜入射在第一结构层1，更优选地，入射光沿光触媒纳米棒的倾斜角度入射，由于光场入射方向与光触媒纳米棒中局域光场的振荡方向相同，能够将更多的光场局域在光触媒材料内，使得光场与光触媒材料的相互作用更强。同时光触媒纳米颗粒与光触媒纳米棒之间锐角区域的空气形成环流，使得光触媒材料与空气的相互作用充分，这样光触媒材料与光场和空气的相互作用均充分；即光触媒材料在光场作用下产生较多的光生电子和空穴，强氧化还原性的光生电子和空穴与空气中较多的氧气和水蒸气充分相互作用生成氧负离子和羟基自由基，氧负离子和氢氧自由基与空气中的有机污染物，如甲醛等，相互反应生成无毒的二氧化碳和水，起到净化空气的作用。本发明过滤层结构的设置同时考虑到了光触媒材料与光场的相互作用和光触媒材料与空气的相互作用，从而光催化反应能够充分进行，光催化反应的强度较强，净化效率较高。本发明过滤层用于光催化空气净化器时的具体形状需要与对应光催化空气净化器内预设过滤层的形状、尺寸相匹配。
23.本发明还公开了一种制备上述过滤层结构的方法。具体地，该方法包括如下步骤：
24.s1，在活性炭层上制备二氧化钛纳米颗粒；
25.活性炭颗粒可以设置在活性炭棉上，也可以设置在活性炭网上，作为衬底的活性炭棉或活性炭可以直接购买得到。具体地，可以通过沉积二氧化钛前驱体或旋涂、喷涂二氧化钛水溶液于活性炭层上。更具体地，本实施例以旋涂为例进行阐述。
26.s11，配置旋涂液；
27.首先需要将使用的量筒、烧杯等进行清洗，使用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗以确保不会引入杂质。将称量的去离子水倒入烧杯，将购买得到的二氧化钛纳米颗粒放入去离子水中，得到二氧化钛旋涂液。具体地，每100ml去离子水溶液中放入1-2g二氧化钛纳米颗粒，优选地，每100ml去离子水溶液中放入1.5g二氧化钛纳米颗粒，这样的浓度能够使得二氧化钛纳米颗粒充分分散在去离子水中，不容易团聚在一起，从而使得活性炭层上的二氧化钛纳米颗粒平铺。配置好的二氧化钛旋涂液放入超声仪器内进行超声分散，超声分散三小时以上，使得二氧化钛纳米颗粒充分地分散于去离子水中，形成悬浊液；超声过程中，振动头伸入液面2.5-3.0cm，采用水浴超声，冷却水用于吸收超声过程产生的热量，冷却水每10分钟更换一次，这样能够持续带走超声过程中产生的热量。超声结束后即得到二氧化钛旋涂液。
28.s12，在活性炭层上进行旋涂；
29.将步骤s11得到的二氧化钛旋涂液静置10-12h，取上层清液进行旋涂。具体地，首先打开抽气泵，利用大气压强将活性炭层吸附在旋涂平台上，打开旋转台设置转速为300-500rpm，优选地，设置转速为400rpm，设置旋涂时间为20-40s，优选地，设置旋转时间为30s，这样能够得到一层间距位于光触媒纳米颗粒半径附近的二氧化钛纳米颗粒层；在旋转过程中使用滴管吸取二氧化钛旋涂液的上层清液，滴在活性炭层的中心，每隔5s滴一次，这样能够得到多层平铺的二氧化钛纳米颗粒。旋涂结束后自然风干8h以上，使溶剂充分挥发，得到
制备有二氧化钛纳米颗粒的活性炭层。二氧化钛纳米颗粒的尺寸可以通过购买不同粒径的二氧化钛粉末实现。
30.s2，在二氧化钛纳米颗粒远离活性炭层一侧制备二氧化钛纳米棒；
31.以步骤s12得到的制备有二氧化钛纳米颗粒的活性炭层为衬底，在光触媒纳米颗粒的表面制备倾斜二氧化钛纳米棒，具体地，本实施例采用电子束蒸发镀膜技术进行蒸镀。具体步骤如下：
32.s21，打开电子束蒸发镀膜机，打开总电源，确保循环水正常工作，循环水用于使坩埚温度降低，否则长时间高温下坩埚容易损坏。
33.s22，将步骤s12得到的基底样品放入。由于电子束蒸发镀膜机的内部为负压状态，向内部充入氮气，使得腔室内外气压平衡，同时，为了防止电子束蒸发镀膜机内部的电荷危害人体，需要进行放电，具体地，将导电棒接触导通点进行放电处理，完成后打开腔门放入基底样品。将制备有光触媒纳米颗粒一侧朝下，同时光触媒纳米颗粒所在平面与靶材速度方向的角度为30-60
°
，优选地，光触媒纳米颗粒所在平面与靶材速度方向的角度为35-50
°
，由于蒸镀过程的阴影效应，靶材速度方向即为二氧化钛纳米棒的长度方向，上述角度决定二氧化钛纳米棒的倾斜程度。在坩埚中加入二氧化钛粉末作为靶材，加入二氧化钛粉末的体积为坩埚容量的三分之一到三分之二之间，然后关闭腔门，打开抽泵对电子束蒸发镀膜机进行降压，使其压强下降，到达5.5
×
10-2
torr后使用精细抽泵进行降压直至腔室内压强稳定在5.0
×
10-7
torr—8.0
×
10-7
torr，优选地，蒸镀时腔室内的压强为6.5
×
10-7
torr。
34.s23，进行镀膜。打开电子束开关，电子枪温度升高，对靶材进行加热，刚开始蒸镀速率不稳定，镀膜速率不稳定时可使用遮挡板遮挡，防止镀膜，速率稳定后打开遮挡板在基地样品上进行蒸镀，即开始制备二氧化钛纳米棒。蒸镀速率为蒸镀时间为30-40min，蒸镀速率和蒸镀时间均会影响二氧化钛纳米棒的长度。具体地，蒸镀速率可以先小后大，前20-25min蒸镀速率为之后蒸镀速率为这样，制备的二氧化钛纳米棒靠近二氧化钛纳米颗粒一端较粗，远离二氧化钛颗粒一端较细；一方面，二氧化钛纳米棒与二氧化钛纳米颗粒一端接触面积大，且二氧化钛纳米棒的重心更靠近二氧化钛纳米颗粒，这样更稳定；另一方面，使得更多的光照射在下层的二氧化钛纳米颗粒上，使得二氧化钛纳米颗粒与光场的相互作用更强，产生更多的光生电子和空穴参与到光催化反应中，提升净化效率；再一方面，不平行的锥形侧面使得二氧化钛纳米棒能够吸收不同方向的入射光，即入射光以不同的倾斜角度耦合进二氧化钛纳米棒，且耦合光场靠近二氧化钛纳米颗粒一侧传播，使得更多光场局域在二氧化钛纳米棒较粗一端，即局域在二氧化钛纳米棒与二氧化钛纳米颗粒的界面处，这样能够与更多空气接触，从而在二氧化钛纳米棒与二氧化钛纳米颗粒的界面处同时聚集更多的光场和吸附更多的空气，从而光催化反应更充分，提升空气净化效率。基底不加热。蒸镀时，通过显示屏实时监控蒸镀过程，二氧化钛纳米棒达到预设长度时打开遮挡板，结束镀膜，即得到本发明制备的过滤层结构。
35.s24，关闭电子束蒸发镀膜机，待腔室冷却至室温，通入氮气是腔室内外压强相等，放电后打开腔门，取出制备好的过滤层结构。
36.s25，将取出的过滤层结构在退火炉中以60℃，在空气氛围中，退火3-4h，使得各层之间的接触更加紧密，自然冷却后取出。使得蒸镀的二氧化钛纳米棒晶格排列更整齐，从而
对光的局域效果更好，从而光触媒材料与光场的相互作用更充分；还使得对空气风阻更大，退火后的二氧化钛纳米棒与二氧化钛纳米颗粒的接触更紧密，不容易脱落，从而风阻更大，空气与光触媒材料的接触时间更长；这样光触媒材料与光场和空气的相互作用均更充分，光催化反应强度大，净化效率较高。使用时需要将制备的过滤层结构剪裁或拼装为适配于对应光催化空气净化器的形状和尺寸，同时还需要设置光源。
37.另外，蒸镀过程中二氧化钛分子中会失去一部分氧分子，在空气氛围中退火使得二氧化钛与氧气分子重新结合，使得二氧化钛的折射率提升，从而局域光场的能力提升，使得光催化反应强度更大，提升净化效率。
38.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。