專利名稱：光催化過程的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及光催化清潔器，尤其涉及用于實現光催化空氣或水清潔器的場致發射器件。
背景信息氧化鈦在許多不同的應用中用作光催化劑。研究最多的應用之一是有關太陽能電池的應用。存在現已在許多產品中使用的許多其他應用。二氧化鈦(TiO2)在在防曬霜中被用來吸收紫外(UV)線。TiO2還可用于凈化系統中水和空氣的清潔。TiO2通過在活性TiO2附近形成將與生物與病毒污染物以及有害化學制品發生反應的自由基和帶電粒子，從而將這些污染物分解為無害化合物來起作用。
在這些凈化系統中，需要UV光源來活化TiO2材料。如果使用的UV光波長短于380nm則光催化性能最佳。典型地用熒光燈(有時候被稱為逆變器燈)作為UV光源。這些UV光源具有諸多問題。它們一般都含有水銀，并且因為通常被置于垃圾填埋地中所以對環境和人類有毒。水銀燈從接通到全功率還需要一些時間，即具有預熱期。如果這些在家用空氣系統或水源供應中的燈損壞，那它們將用有毒的水銀污染這些系統。此外，這些系統的使用壽命會受到限制并且UV光強度較弱，這樣就會限制使用TiO2光催化劑的排污或清潔系統的有效性。
另一種UV光源是使用寬帶隙的LED(發光二極管)。雖然LED具有更長的使用壽命并能即刻接通，但是它們效率不高并且無法均勻照明。
需要的是一種能夠即刻接通、不含水銀、高亮、高效并且長壽命的大面積UV光源。
此外，目前TiO2被普遍地沉積在UV燈表面或玻璃纖維布上。需要玻璃纖維布是因為TiO2沉積需要高溫來實現TiO2的最佳光催化特性。此種材料不導電并且可能不太結實。需要的是一種在其上沉積TiO2、導電并且耐高溫的布或纖維材料。
為了更全面地理解本發明及其優點，現將對以下聯合附圖的描述做出參考，在附圖中圖1示出了使用TiO2和紫外光源的空氣凈化系統的示意圖；圖2示出了根據本發明的一個實施例的使用冷陰極和UV發光磷光體的UV燈的二極管配置；圖3示出了根據本發明的一個實施例的管形燈泡配置中的場致發射燈；圖4示出了本發明的一個實施例；圖5示出了磷光體強度的曲線圖；以及圖6示出了UV范圍內玻璃透明度的曲線圖。
詳細描述在隨后的描述中，將闡明諸如具體網絡配置等各種具體細節以提供對本發明的透徹理解。然而對本領域普通技術人員顯而易見的是無需這些具體細節也能實踐本發明。在其他實例中，用框圖的形式示出了公知的電路以免用不必要的細節淡化本發明的主題。在很大程度上，已省略了有關時間控制等考慮事項的細節，因為這些細節對全面理解本發明而言不是必需的，并且落入相關領域普通技術人員的技能范圍之內。
現要參考附圖，其中所描繪的元素無需按比例示出，并且相同或相似的元素在各附圖中都由相同的標號指定。
圖1示出了使用TiO2和UV光源的空氣凈化系統的配置。放置UV熒光燈101(或逆變器燈)以從每個燈101中發出UV光103。在面對UV燈101的其內表面上帶有TiO2涂層的濾光器102可以如下所述由碳布或紙制成。不潔空氣流105穿過清潔器，從而導致清潔空氣流106從該清潔器中發散出。在另一配置中，不潔空氣從涂有TiO2的板102之間橫向104通過。在此情況下，板102無需是透氣的。
水凈化系統可以非常類似地進行配置。在此示意圖中未示出用于移動空氣或水的風扇或泵，以及用于將流體移動或傳送至指定區域的管壁、管道或導管。此外，也未示出燈工作時所需的電源和連接器。本領域普通技術人員應該能實現這些未示出的項目。
圖2示出了使用電子束激勵磷光體來產生UV光的燈200。使用諸如碳基冷陰極等冷陰極211；更具體地使用碳納米管電子源204來形成電子束208。此種燈200具有如下優點
1.不含水銀，2.即刻接通，3.高效產生高亮度UV光，并且4.壽命長(20,000小時以上)。
制造燈200有若干種配置。一個實施例在如圖2所示的二極管配置中制造該燈200。在此配置中，電子源204面對涂有磷光體203的陽極212，該磷光體203在遭受高能電子208撞擊時產生UV光209。
陰極211包含玻璃基板206，在該玻璃206的表面上沉積有一層導電材料205。導電材料205可以是諸如鉻、銅、鈦或其他金屬等金屬膜、這些金屬的合金或混合物、或者是在合適固化時導電的絲網印刷漿，諸如Dupont#7713Ag漿。導電層205也可以是氧化銦錫(ITO)或者其他的透明導電材料。
導電層205的頂上沉積了一層冷陰極材料204，該冷陰極材料204當在其表面施加強到足以將電子208從材料204中拉出的電偏壓210時發射電子208。可選用的材料很多，包括金屬微端(micro tip)或者硅或碳微端，但是在一個實施例中使用的是碳基冷陰極，諸如含有碳納米管(CNT)的膜。可以使用過渡金屬作為促進CNT生長的催化劑，使用本領域內已知的許多CVD技術(例如，熱CVD、等離子體CVD、熱絲CVD等)中的一種來在導體205的表面上生長CNT膜204。CNT膜204還能夠使用噴霧、印刷、絲網印刷、散布、著色、浸漬、噴墨印刷、旋涂或者能將含CNT的墨水或漿涂在表面上的其他手段來散布或沉積在表面205上。CNT還可以使用干噴工藝或通過噴砂工藝來沉積。可以在陰極導體205和CNT層204之間放置一電阻層(未示出)。也可能是陰極導電層205與CNT層204是相同材料并且僅為一層。CNT層204和導電層205可以是連續的或圖案化的。CNT層204可以是象素化(pixilated)的。
在陽極212上，玻璃基板201上涂有導電材料層203和透明材料層202，諸如ITO。該ITO表面202的頂上是在受到高能電子208撞擊時發出UV光的磷光體材料203。ITO層202可以通過本領域內公知的諸如蒸鍍、濺射等技術來沉積。磷光體材料203的示例是YTaO4、YTaO4:Gd、BaSi2O5:PB2+和ZrP2O4。其他材料也可以起作用。對磷光體材料的選擇由以下各項確定磷光體的效率(在每一單位的電子能撞擊下該磷光體能發出多少光)、發射波長分布(發射波長與TiO2或者任何其他感興趣的光催化劑或工藝的吸收帶存在良好的重疊)、磷光體的壽命(老化得是否緩慢)、飽和極限與衰減時間(此種燈能否被驅動至高光強)以及成本與真空相容性。此種燈已使用BaSi2O5:PB2+磷光體和YTaO4磷光體制得。對于TiO2光催化劑應用而言，YTaO4磷光體是更好的選擇，因為其UV發射帶與TiO2吸收帶有著更強的重疊(參加圖5)。可以為其他光催化應用或為其他UV燈應用選擇其他的磷光體，諸如固化光刻膠材料或者硬化或凝固聚合物。
磷光體材料203可以使用電泳、絲網印刷、沉淀、干燥或其他方法來沉積。可以在磷光體層203的頂上沉積一鋁層(未示出)以使得電子在撞擊磷光體層203之前穿透該鋁層。鋁層應薄到足以允許來自陰極211的電子208穿透它，但應厚到足以允許磷光體203產生的UV光209被反射回。該鋁層起到提高磷光體的效率和光強(亮度)的作用。磷光體材料發出全向光。如果在磷光體層之后放置一反射層，則從磷光體向陰極方向行進的光被反射回前向方向，這就在實質上加倍了燈的光輸出。
陽極玻璃基板材料應該盡可能地對UV光透明。雖然堿石灰玻璃材料對UV光具有一定的透射性，但硼硅酸鹽玻璃對UV光的透射性更高。UV透射玻璃的一個示例是Shott Glass生產的Borofloat 33。它具有比堿石灰玻璃延伸進入UV更深的短波長截止點(參見圖6)。還存在具有更高UV透射性的其他材料；示例包括更硬的硼硅酸鹽玻璃和石英。對玻璃的選擇仍由裝配密封器件的能力所確定。本發明的一種方法可能需要使用玻璃對玻璃熔接密封。例如，已經有用于Shott BorofloatGlass的玻璃熔接材料。使用其他的裝配技術，諸如使用玻璃管以及使用火封軟熔工藝就可允許諸如石英等其他玻璃選擇。對陽極用玻璃的選擇可以確定對系統其他部分(陰極、側壁等)用玻璃的選擇，因為它們需要具有匹配的熱系數。這樣就可以在所需溫度高達550℃的密封與裝配過程期間維持玻璃不見內的應力最小。
陽極212和陰極211板可用側壁207裝配在一起并使用玻璃熔接密封，從而形成密封的玻璃燈泡。陽極212和陰極211的活化側在該裝配件內彼此面對。燈泡內的空氣通過小孔或小管(未示出)排空并在排空后密封該小孔或小管。可以使用吸氣劑(未示出)來抽吸燈泡內殘留的空氣。如果燈泡足夠大而玻璃板太薄導致因為施加在表面上的外部氣壓而無法保持陽極212和陰極211之間的間隙，則可以使用燈泡內隔片(未示出)來支承該玻璃板。
燈200通過向陰極導體205施加負偏壓210并向陽極導體202施加正偏壓210而工作。偏壓210可以是連續的(DC)或脈沖的(AC)。偏壓210應該強到足以在陽極202和陽極205的導體之間產生1V/微米至20V/微米的電場，以便從CNT層204中提取電子208并加速至陽極磷光體層203。陽極212和陰極211之間的間隙以及使用的加速電壓取決于所使用的CNT材料204的質量以及有效活化磷光體203所需的電子能量。有效活化磷光體所需的電子能量典型地為5000V或以上，10,000V則更好。磷光體效率在10,000V至12,000V以上會更高，但是同時也會產生有害的x射線，而這也是需要避免的。可以選擇阻礙x射線光但允許UV光通過的玻璃材料。在所有這些情況下，陽極212的玻璃201都允許UV光209穿過。
在一個實施例中，光如圖所示穿過陽極玻璃201，但是其他配置(未示出)可以允許光穿過陰極表面206，并使得陽極表面呈反射性以便讓光盡可能多地穿過陰極表面206。在又一種配置中，UV光可穿過陽極和陰極基板雙方。換言之，可允許在陽極表面產生的UV光穿過陽極和陰極表面雙方。圖4示出了在清潔器中實現二極管配置燈200的這一實施例，該實施例除了放置背對背的燈200來代替UV燈101之外與圖1所示的類似。換言之，背對背的燈包括其各自的陰極背對背放置的雙UV燈200，使得UV光209朝向清潔器表面102發散。圖4所示裝置在其他方面與圖1所示的類似地工作。
UV發射磷光體203可以在陽極表面上連續或者可被象素化成多個分開的補片或象素化成一圖案。該圖案可與在陰極內形成的任何圖案相匹配或不匹配。
在前描述的是二極管燈。在另一實施例中也可以使用三極管燈。三極管燈與二極管燈類似，但是具有一個或多個用于與陽極加速電壓分開控制電子發射電流的電極。一種三極管配置可以具有在陰極和陽極之間接近陰極放置的金屬網孔以及穿孔金屬屏。該金屬網孔相對陰極正向偏置足夠的電壓，從而在陰極處建立強大足以將電子從碳納米管發射極中拉出的電場。該偏壓取決于陰極和金屬網孔之間的間隙，但是1V/微米至20V/微米的額定場度通常是足夠的場強。提取自陰極的電子的一部分隨后通過金屬網孔內的孔并由陽極電位(通常在二極管燈內是5000V至20,000V，雖然也可以使用其他電壓)加速至陽極。
其他的三極管配置可以具有在陰極之上或在陰極一側的柵電極。在此配置中，柵電極可以是金屬膜或印刷金屬層。該柵電極的工作與金屬網孔三極管配置中的工作幾乎相同。該配置在柵極上需要更高的電位，但是它可截取更少量的陰極發射電流量從而就更為高效。在場致發射器件中使用柵電極是公知的。
又一種三極管配置是其中陰極線路相互交叉的二極管和三極管的混合配置。在此情況下，兩根陰極線路由正弦波電壓驅動；在二分之一周期內一組線路用作陰極而另一組線路用作柵格；在另二分之一周期內，兩組線路之間的角色互換。由陽極電位提供強電場是理想的；陽極電場應該接近沉積在兩組線路上的碳納米管發射極的閾值電場。
在某些實施例中，燈需要冷卻。燈可用由風扇(未示出)強迫通過它的氣流來冷卻。在其它實施例中，燈可通過與導熱體相接觸以傳出熱量來冷卻。導熱體可以具有翼片或其他大表面積結構以便通過對流或強迫通風來移走熱量。在空氣清潔器或水清潔器的情況下，由光催化劑清潔的空氣或水也能為燈提供冷卻。
圖3示出了管形燈泡配置中的場致發射燈300。外部玻璃燈泡302可以是導電的或者可以在其內表面上涂有導電膜306以便將電荷送至電源305。電源305可以是AC或DC。未示出燈泡末端，它形成了空氣排空水平達到10-5Torr數量級或更小的密封燈泡。磷光體涂層306可以如前所述由鋁覆蓋(未在此圖中示出)。帶有涂覆了CNT或另一種場致發射材料的外表面的中央插針導電陰極301向玻璃燈泡302的內表面306發射電子303。內表面306包含UV發射磷光體，它會由于電子303撞擊磷光體306而產生UV光304。電源305提供了中央插針陰極301和外部燈泡陽極302之間的偏壓。
本發明的另一實施例使用碳纖維或碳布來沉積或生長TiO2光催化劑材料。碳纖維材料可以是基于節距或基于PAN的碳纖維或者是單壁或多壁碳納米管材料。碳纖維還能被編織成布或席，或者可以使用碳纖維材料紙。TiO2可以在纖維被制成布或紙的前后沉積在其上。布或紙可以是多孔的以便于空氣或水通過。可從各供應商(諸如，Cytec)處購得各種不同的碳纖維布。布可以是由切碎的碳纖維或碳納米管制成的紙。它甚至可以不完全是碳，而是一部分是包括石墨、碳纖維、碳納米管、碳顆粒和石墨等的碳材料，其他部分是諸如玻璃纖維等其他材料。圖1示出了此種布是如何用作材料102的。要求碳表面鈍化以防止TiO2在由UV光103活化時將碳腐蝕掉。該鈍化層可以是導電的、半導電的或絕緣的。一個可行的示例是在碳表面使用Ti金屬。
雖然已經詳細描述了本發明和它的優點，但是應該理解可以在此做出各種改變、代替和變化而不背離由所附權利要求限定的本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種用于空氣或水的光催化清潔器，包括涂有光催化材料的基板；與所述基板相隔預定距離放置的陽極，它包括響應于電子的轟擊發出紫外光的磷光體；以及與所述陽極相隔預定距離放置的場致發射陰極，用于響應于電場發射電子。
2.如權利要求1所述的光催化清潔器，其特征在于，所述場致發射陰極還包括碳基場致發射極材料以發射所述電子。
3.如權利要求2所述的光催化清潔器，其特征在于，所述碳基場致發射極材料包括碳納米管。
4.如權利要求3所述的光催化清潔器，其特征在于，所述場致發射陰極和陽極在二極管燈配置中彼此相對放置。
5.如權利要求3所述的光催化清潔器，其特征在于，所述場致發射陰極和陽極在三極管燈配置中彼此相對放置。
6.如權利要求4所述的光催化清潔器，其特征在于，所述二極管燈配置導致矩形燈。
7.如權利要求4所述的光催化清潔器，其特征在于，所述二極管燈配置導致柱形燈。
8.一種光催化裝置，包括光催化材料；與所述光催化材料相隔預定距離放置的陽極，它包括磷光體；以及與所述陽極相隔預定距離放置的場致發射陰極，用于響應于朝向所述磷光體的電場發射電子。
9.如權利要求8所述的光催化裝置，其特征在于，所述場致發射陰極還包括碳基場致發射極材料以發射所述電子。
10.如權利要求9所述的光催化裝置，其特征在于，所述碳基場致發射極材料包括碳納米管。
11.如權利要求8所述的光催化裝置，其特征在于，所述場致發射陰極和陽極在二極管燈配置中彼此相對放置。
12.如權利要求8所述的光催化裝置，其特征在于，所述場致發射陰極和陽極在三極管燈配置中彼此相對放置。
13.如權利要求12所述的光催化裝置，其特征在于，所述三極管燈配置導致矩形燈。
14.如權利要求12所述的光催化裝置，其特征在于，所述三極管燈配置導致柱形燈。
15.一種用于清潔流體的方法，包括以下步驟用電場活化場致發射極以使得所述場致發射極朝向磷光體發射電子；所述磷光體響應于由所述場致發射極發射的電子的轟擊而發出紫外光；光催化材料通過由所述磷光體發出的紫外光的轟擊而被活化；以及讓所述流體與所述光催化材料接觸地通過。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述場致發射極包括碳基場致發射極。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述碳基場致發射極包括碳納米管。
全文摘要
一種用于空氣或水的光催化清潔器包括涂有光催化材料的基板。與基板相隔預定距離放置的陽極包括響應于電子的轟擊發出紫外光的磷光體，而電子則是由場致發射陰極響應于電場而發射的。場致發射陰極可以是包括并入的碳納米管的碳基場致發射極材料。
文檔編號B01J19/08GK101048228SQ200580037173
公開日2007年10月3日 申請日期2005年11月3日 優先權日2004年11月3日
發明者Z·雅尼弗, R·L·芬克 申請人:毫微-專賣股份有限公司