用于净化空气的方法和空气净化装置

摘要

本发明公开涉及一种用于净化空气的方法，以及一种可与所述方法结合使用的空气净化装置，该方法包括：提供光电化学电池，其包括由质子传导中间层隔开的阳极和阴极；从光子源向阳极和/或阴极的表面供应光子，由此借助于光电效应产生电子空穴和电子；在阳极的所述表面上提供水；通过电子空穴氧化所述水的分子以产生羟基自由基、电子和质子；允许空气流在所述阳极的所述表面上流过；利用产生的电子空穴和/或所述羟基自由基氧化存在于所述空气中的一种或多种挥发性化合物、颗粒和/或微生物，以及引导电子穿过电子传导电路以及质子穿过质子传导中间层，在阴极处形成氢气，由此增加羟基自由基在阳极处的寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于净化空气的方法。本发明也涉及一种可与所述用于净化空气的方法结合使用的空气净化装置。

背景技术

室内空气——人们在家里或工作中花费越来越多时间的地方——包含室外空气中的污染物和挥发性有机成分(VOC)、颗粒以及建筑材料和人类及其它生物活动产生的微生物。这些污染物在许多地方和情况下都构成严重的健康风险，并且清洁的室内空气被认为是改善生活质量、提高生产率和降低医疗保健成本的有效投资。

空气净化器和调节器可能包含颗粒和微生物过滤器、吸附材料，或者产生如羟基自由基(OH

US 7,373,351公开了一种光电化学空气清洁器，其包括一种系统，该系统包括固定至固体表面的多个光催化剂表面，流体与该光催化剂表面接触进行消毒。该专利提供了一种用于去除与光催化剂层接触的光生电子的一部分的结构，从而降低了光生电子和电子空穴的复合率，因而提高了从经受清洁的流体中去除微生物或化学伴随物的去除率。

Applied Catalysis B:Environmental,vol.38,2002,pages 215-225公开了一种用于在光催化剂表面上分解苯、甲苯、环己烷和环己烯的非均相气固光催化剂体系。对于大多数所研究的污染物，在分解过程中碳沉积物的形成使光催化剂失活，当将湿空气引入污染物流中时，光催化剂可以再生。

Atmospheric Environment,vol.43,2009,pages 3168-3174公开了一种用于分解戊烷、异戊烷、己烷、异己烷和庚烷的气相光催化剂体系。据报道，在驻留时间50至85秒后，所有空气污染物的矿化率为90％，且没有催化剂失活。潮湿条件的存在对该系统的性能有不利影响。

International Journal ofHydrogen Energy,vol.44,2019,pages 587-593公开了在串联光电化学电池中由湿空气和阳光产生氢气。氢气的产生在固态光电化学电池中进行，该固态光电化学电池包括光电阳极、被

Photochem.Photobiol.Sci.2017,16,10-16公开了一种用于水分解的具有TiO

因而，仍存在对空气净化方法和装置改进的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于安全高效空气净化的方法。此外，本公开的目的在于提供一种可以与上述空气净化方法结合使用的空气净化装置。

因而，提供了一种用于净化空气的方法，所述方法包括：

-提供光电化学电池，其包括由质子传导中间层隔开的阳极和阴极，

-从光子源向所述阳极和/或阴极的表面供应光子，由此借助于光电效应产生电子空穴和电子，

-在所述阳极的所述表面上提供水，

-通过所述电子空穴氧化所述水的分子以产生羟基自由基、电子和质子，

-允许所述空气流在所述阳极的所述表面上流过，

-利用所述产生的电子空穴和/或所述羟基自由基氧化存在于所述空气中的一种或多种挥发性化合物、颗粒和/或微生物，以及

-引导所述电子穿过电子传导电路以及所述质子穿过所述质子传导中间层，在与阳极分开的所述阴极处形成氢气，由此增加所述羟基自由基在所述阳极处的寿命。

进一步地，提供了一种空气净化装置，其包括：

-具有至少一个空气进口和至少一个空气出口的外壳，

-光电化学电池，其阳极和阴极被质子传导中间层隔开，以及

-光子源，其被配置成向所述阳极和/或所述阴极的表面提供光子，由此通过光电效应产生电子空穴和电子，

-存在于所述阳极的所述表面上的水，

其中所述光电化学电池和/或所述光子源位于所述外壳中，以使从所述至少一个空气进口到所述至少一个空气出口的空气流在所述阳极的所述表面上流过。

令人惊讶地，已经发现可以使用本文所述的方法可选地结合本文所述的空气净化装置来净化空气。出乎意料地，防止了光生电子和电子空穴的复合，同时防止了电子产生的氢与来自电子空穴和吸附的水反应产生的羟基自由基反应，由此改善了活性羟基自由基的产生并因此改善了空气的清洁度。

更具体地，本文所述的用于空气净化的方法和/或空气净化装置的操作基于三个主要原理；即：光电效应，阳极上吸附的水层的存在，以及将形成的氢与活性羟基自由基分开的质子传导电化学电池。

光电效应包括吸收光子的材料，特别是半导体，其光子随后转化为以电子空穴和电子形式的能量载体。当半导体被与其带隙能量匹配的光照射时，电子被从价带(VB)光激发到导带(CB)，从而在VB中留下电子空穴。在光电化学电池的典型情况下，发生氧化的阳极就是这种半导体。光生电子空穴被吸引到材料的表面，而光生电子通过外部布线转移到阴极。这些电子空穴能够非选择性地氧化，即降解阳极表面上的任何类型的挥发性有机化合物或颗粒或微生物。

此外，当在阳极表面上存在从充盈的大气湿气中吸收的水的情况下，水分子被氧化为羟基自由基(OH

阴极从阳极接收电子，并通过质子传导膜接收质子，并产生氢气H

在本文所述的方法中，阳极表面上的水以物理吸附层的形式存在，可以具有特定厚度。例如，厚度可以在约0.8至约2纳米(nm)的范围内。该水厚度可以通过在等于或大于50％的相对湿度(RH)下执行本方法来实现。水层的厚度和/或相对湿度可以通过冷却在所述阳极表面之前和/或在阳极表面处的空气流来提供。可以通过使用珀耳帖元件来实现冷却。例如，珀耳帖元件可以是在消费产品中使用的类型，诸如用于露营、便携式散热器、冷却电子元件和/或小型仪器的珀耳帖元件。

本文所述的空气净化方法可以对要净化的进入空气中存在的湿度进行操作。如果空气太干燥，则可以通过使用加湿器，例如通过使空气流穿过水饱和器鼓泡来实现本文所述的空气中足够的水含量。

使用用于相对湿度(RH)的传感器能够监测在所述阳极的所述表面上穿过的空气的相对湿度水平，并提供反馈以控制对珀耳帖元件的供电。例如，可以将相对湿度控制为等于或大于50％，诸如60％或70％。

使用本文所述的方法和/或装置进行了空气净化的所述空气流可借助风扇在所述阳极的所述表面上移动。另外或可替选地，使用本文所述的方法和/或装置进行了空气净化的空气流可以利用空气流在通过冷却器和发光的电化学电池时的温度差，通过自然引力或布朗运动在所述阳极的所述表面上移动。

在通过本文所述的用于空气净化的方法和/或空气净化装置中形成的氢气可以在经过光阳极之后与所述空气流混合，然后与所述空气中残留的任何臭氧和/或氧化自由基反应并将其还原。

本文所述的方法还可包括在所述光电化学电池的所述阳极与所述阴极之间施加电压，诸如在0.1V至10V范围内的电压。

本文所述的阳极和/或阴极和/或质子传导中间层可以是部分或完全透明的。

本文所述的阳极可包括网眼、穿孔板和/或多孔层。另外或可替选地，本文所述的光电化学电池的阳极可以包括第一光催化剂，该第一光催化剂被配置成氧化所述水的水分子以产生羟基自由基、电子和质子。第一光催化剂可以是多孔的和/或地球富含的材料，诸如在Ti衬底上的TiO

本文所述的光电化学电池的质子传导中间层可包含下列物质或由下列物质组成：

(i)聚合物，诸如磺化四氟乙烯基含氟聚合物共聚物，和/或

(ii)多孔陶瓷，诸如纯或掺杂的SiO

本文所述的光电化学电池的阴极可以包括第二光催化剂或由第二光催化剂组成，所述第二光催化剂被配置成还原质子以形成氢和/或将氧还原为水。第二光催化剂可以是多孔的和/或包括地球富含的材料，诸如氮化碳。例如，第二光催化剂可以包含石墨-碳氮化物或由其组成。在本文件中，石墨-碳氮化物可被命名为g-C或石墨相-C

光子源可以是UV LED或UV-VIS LED，诸如脉冲UV LED或UV-VIS LED。另外或可替选地，光子源可以包括其它类型的灯或日光。

本文所述的空气净化装置还可包括：

-加湿器和/或冷却器，其被配置成向所述空气提供相对湿度，该相对湿度足以在所述阳极的表面上提供水，以通过氧化所述水的分子而产生羟基自由基、电子和质子，

-传感器，其被配置成测量所述阳极之上的相对湿度(RH)，

-风扇，其被配置成使所述空气流在所述光电化学电池的所述阳极的所述表面上移动，

-集成电路，其被配置成在所述光电化学电池的所述阳极与所述阴极之间施加电压，诸如0.1至10V的电压，

-过滤器，诸如高效微粒捕集过滤器，和/或

-电化学传感器，其被配置成测量所产生的羟基自由基的量。

应明白，前述组件可以位于外壳内。另外或可替选地，前述组件可以不位于外壳之内例如紧靠外壳。

本文所述的空气净化装置可以是便携式的。这是特别有好处，尤其对于需要方便运输的消费类应用而言。

本发明还提供了使用光电化学电池(诸如本文所述的光电化学电池)，通过允许由光电化学电池中的所述光催化剂产生的电子空穴和/或羟基自由基非选择性地氧化所述空气中存在的任何类型的挥发性化合物、颗粒或微生物来净化空气。

定义

nm 纳米

UV 紫外线

UV-VIS 紫外-可见光

UV LED 紫外发光二极管

UV-VIS LED 紫外-可见发光二极管

附图说明

图1示出了根据本公开的经受光子源灯的用于空气净化的光电化学电池，其配备有加湿器、冷却器、风扇和过滤器级。

图2示出了根据时间，在电池上施加和不施加1V的驱动力时，在固态电化学电池上的纳米结构TiO

具体实施方式

参见图1带有括号的附图标记的描述。光电化学(PEC)电池由气密质子(H

阴极上产生的氢气H

可以安装用于RH和自由基的传感器(未显示)，以向加湿器、冷却器、灯和PEC电池电源提供控制反馈。

示例

我们进行了模型污染物亚甲基蓝(MB)的分解实验，该模型污染物放置在距离所述阳极2厘米的位置，以证明从光电化学(PEC)电池的光阳极表面产生羟基自由基。PEC电池由Ti片制成，其上有在含有10％的水和0.5％的氟化铵的甘油基电解质中，通过阳极氧化方法生长的TiO

我们研究了两种情况。在第一种情况下，所述光电化学电池没有施加电压，并且一小时后11％的MB被分解。在这种情况下，在没有所述电压的情况下，所述光电化学电池作为典型的光催化剂系统起作用，并且在所述阳极中也产生氢气。在第二种情况下，我们向所述光电化学电池施加1V的电压，一小时后21％的MB被分解。这些实验表明，在所述阴极而不是在阳极处产生氢气提高了所述空气净化器的效率。他们还表明，羟基自由基或自由基从其初始作用起能够达到距所述阳极的所述光催化剂至少2cm的距离。在两种情况下的第一个小时之后，系统的效率都会降低。在第一小时内，所述光子源每十分钟关闭一次，这有利于维持分解效率(增长趋势)。之后，光源每1小时关闭一次。更高的初始效率源于更频繁的冷却，从而使吸附的水层保持完整。当所述光子源保持开启超过10分钟时，例如图2中两个实验从第2个小时开始光源每一小时关闭一次，珀耳帖元件就可以用来冷却空气和/或PEC电池。