本發明涉及凈化技術領域，具體涉及光催化劑。
背景技術：
目前正進入以“室內空氣污染”為標志的第三污染時期。有研究表明：室內環境中的污染水平是室外的2～5倍，有時甚至高達100倍；另一方面人的一生平均有70～90％的時間是在室內度過的，人們在室內具有較高的暴露濃度水平。因此，室內空氣質量就與人體健康更為密切相關，更為人們所關注。
室內空氣污染物包括：生物性污染物，如細菌、病毒、真菌孢子、塵埃、塵螨發粉、寵物與人類的毛發、皮屑等；化學性污染物，如二手煙、甲醛、苯系物、臭氧等；異味，如來自寵物、烹飪、垃圾及人體等。室內的污染物大多數具有化學毒性和“三致作用”，對人體健康造成潛在的危害。因此除去室內空氣中的揮發性有機物、異味、細菌等具有非常重要的意義。空氣凈化器是國際公認的凈化室內空氣的方法。現有的空氣凈化裝置，基本以過濾和吸附兩種方式進行空氣的凈化過程。對于過濾凈化方式，只是除去了空氣中的懸浮顆粒，對揮發性有機污染物和細菌等并無明顯凈化作用；而以活性炭等吸附性劑為基礎的吸附凈化方式，又涉及到吸附材料吸附飽和后的活化處理以及容易引起二次污染等問題，因而實際應用效果不甚理想。
TiO2光催化降解技術在這方面具有突出的優點。但當室內VOCs濃度較低時，空氣中的有機污染物較難富集到TiO2表面，從而影響了TiO2光催化劑對室內低濃度揮發性有機物的光催化效率，導致光催化降解的效率低，不能有效實現低濃度揮發性有機物的降解；而空氣凈化器中使用的活性炭具有發達的比表面積，豐富的微孔徑，比表面積可達1000-1600m2/g，微孔體積90％左右，其微孔孔徑為等優點。由于活性炭具有大的比表面，所以經 常被用作TiO2光催化劑的載體。因此，將活性炭作為納米TiO2光催化劑載體得到了一定的應用，將納米TiO2穩定地負載于活性炭將成為未來最重要的研發和應用方向之一。
目前存有一種TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其制備步驟在于：1)配置鈦鹽和尿素的混合溶液，攪拌；2)用雙氧水浸泡活性炭纖維，然后洗滌、干燥；3)將處理過的活性炭纖維放入鈦鹽與尿素的混合液體中，加熱攪拌，然后烘干；4)將烘干的活性炭纖維于氮氣氣氛中燒結，得到TiO2/ACF光催化劑。
目前存有一種TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其主要要點包括：將預處理后的活性炭纖維浸漬于TiO2溶膠中，在一定溫度下、使用一定頻率的超聲波處理；取出負載TiO2的活性炭纖維，充分干燥后焙燒，即得活性炭纖維負載TiO2復合光催化材料。
目前存有一種用于室內空氣凈化的納米TiO2復合光催化劑的方法，其主要要點是使用SiO2溶膠作為粘結劑，將懸浮的TiO2粒子固定于活性炭，形成一種復合光催化劑。
在前兩個方法中，使用了溶膠-凝膠法制備的納米TiO2作為光催化劑來源，但所形成的TiO2涂層是無孔結構、比表面積小，光催化性能差；同時，凝膠溶膠法制備的TiO2涂層與活性炭載體的結合力也比較弱，容易脫落，影響實際使用效果。第三個方法使用SiO2溶膠粘結劑，所得涂層中納米TiO2處于嚴重的聚集狀態，并且粘結劑會包覆在納米TiO2顆粒表面，大大降低了TiO2材料的光催化效果。因此，提高TiO2光催化性能、保證TiO2在使用過程中不易從載體上脫落下來，是亟待解決的問題。
另外，空氣凈化器通常包括三四層或者五層以上濾網，一般為初效濾網、HEPA濾網、活性炭過濾網及光催化劑層，多層結構會使風阻增加，隨之能耗將增加，同時也會增加空氣凈化器的噪音。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種用于空氣凈化的光催化劑涂層結構及其制備方法，以解決上述技術問題。
本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現：
一種用于空氣凈化的光催化劑涂層結構，包括一由活性炭構成的基體，其特征在于，所述基體的外表面負載有納米TiO2涂層，所述納米TiO2涂層的重量是基體重量的5-30％。
本發明的涂層結構具有單一涂層，而不是復合涂層，也沒有粘結劑包覆在TiO2表面的現象。本發明可通過吸附-光催化雙功能，實現有機微污染物深度凈化，具有優異的光催化效應；同時具有抗菌殺菌的效果，對人體無毒，不需要更換再生。
把活性炭和TiO2合二為一，可以減少空氣凈化器中過濾層數，有效減小風阻；同時由于TiO2與活性炭二者存在顯著協同作用：活性炭可提高TiO2的光催化活性，加快TiO2對有機污染物的光催化降解速度；同時，納米TiO2可提高活性炭的吸附性能，宏觀上表現為增加活性炭對有機物的平衡吸附量。
所述基體的外表面僅設有納米TiO2涂層。
所述基體與所述納米TiO2涂層之間不設有膠黏層。
所述納米TiO2涂層包括平均粒徑10～50nm的TiO2顆粒組成的納米TiO2涂層。
所述納米TiO2涂層中的TiO2為銳鈦礦相，純度不小于99％。在紫外光的激發下可以引發光催化反應。銳鈦礦相的TiO2其催化活性高，而當金紅石相的TiO2出現時，其催化活性降低。
所述的納米TiO2涂層為無色的和/或透明的。無色和/或透明的涂層具有高的透光率，可以有效地通過紫外光和可見光。
所述活性炭可以是顆粒、棒體、纖維、中空微球。
所述基體的比表面積在100-2000m2/g范圍內。
制備光催化劑涂層結構的方法，其特征在于，包括如下步驟：
步驟一、將活性炭構成的基體進行預處理；
步驟二、將線性鈦氧聚合物溶解在溶劑中配成溶液；
步驟三、將線性鈦氧聚合物溶液施加到基體上，干燥、在400～550℃燒結，線性鈦氧聚合物經燒結后獲得納米TiO2涂層，進而得到光催化劑涂層結構。
活性炭基體上以線性鈦氧聚合物作為TiO2來源所形成的TiO2光催化劑涂 層結構。本發明采用的線性鈦氧聚合物，一是作為鈦源，二是做為表面改性劑，提高液體在活性炭上的附著力，所以在活性炭上負載光催化劑TiO2時，不需要在線性鈦氧聚合物溶液中添加粘結劑，即可牢固地負載于活性炭上。與已知的專利相比，本發明的涂層結構具有單一涂層，而不是復合涂層，也沒有粘結劑包覆在TiO2表面的現象。通過使用本發明的線性鈦氧聚合物在活性炭上負載TiO2，既解決了通常方法制備的TiO2涂層結構中TiO2負載量少、粘結不牢固的問題，又解決了TiO2光催化效率低的問題。
步驟一中，將活性炭構成的基體用蒸餾水浸泡、然后超聲，超聲后于50-100℃烘干。步驟一中對活性炭進行預處理，以除去表面的灰份和其它雜質。
步驟二中，所述溶劑包括具有2～5個碳原子的一元醇或二元醇、具有3～8個碳原子的乙二醇單醚、甲苯或二甲苯中的至少一種中，線性鈦氧聚合物可分子級別分散在其中，溶液濃度可控，以鈦計，為0.3～2重量％。負載量可控而且可以比較大，比如在TiO2/AC上負載量可以達到30％以上。光催化劑涂層結構統稱為TiO2/AC。
其中，步驟三中所述的線性鈦氧聚合物，是以重復的Ti-O鍵為主鏈、側基上連接有機基團的線性鈦氧聚合物，其包含以下的結構單元：
其中R1彼此獨立地選自-C2H5,-C3H7,-C4H9,-C5H11；R2代表OR1或者代表選自CH3COCHCOCH3和CH3COCHCOOC2H5的絡合基團；線性鈦氧聚合物中基于R2基團的總量，至少有50％的R2基團代表所述的絡合基團。所述線性鈦氧聚合物以蒸氣壓滲透法測定的數均分子量為2000～3000；所述線性鈦氧聚合物不含溶劑的純鈦氧聚合物具備軟化點，環球法測定的軟化點范圍為90～127℃。
步驟三中，將線性鈦氧聚合物的溶液施加到基體上，然后在400～550℃、優選450～520℃，進行燒結。納米TiO2是在惰性氣氛中、400～550℃進行燒結得到的。該步驟對涂覆在活性炭表面的線性鈦氧化物涂層進行熱處理，將線性鈦氧聚合物分解成納米TiO2，加速納米TiO2顆粒在活性炭表面的擴散滲 透作用，增加其與活性炭的結合牢固程度。燒結時間通常為0.5～3小時，優選0.5～1.5小時。
其中步驟中線性鈦氧聚合物溶液施加到基體上的方法有噴涂、超聲浸漬等。
所形成的TiO2顆粒優選具有10～50nm、特別是20～30nm的平均粒徑。
所形成的TiO2為銳鈦礦相，在紫外光的激發下可以引發光催化發應。銳鈦礦相的TiO2其催化活性高，而當金紅石相TiO2出現時，其催化活性降低。
由本發明方法制備的光催化劑涂層結構中，優選TiO2涂層為無色的和/或透明的。無色和/或透明的涂層具有高的透光率，可以有效地通過紫外光和可見光。
本發明的光催化劑涂層結構可以有效地利用紫外光降解有機污染物、無機物、抗菌、殺菌、防霉等。
根據本發明，在活性炭上形成納米TiO2光催化劑涂層，制備方法簡單，流程簡便，有利于大規模應用和生產，可在光催化劑環保領域得到廣泛應用。
該光催化劑涂層結構在空氣凈化方面的應用，包括分解空氣中的揮發性有機物，同時可以殺菌抗菌，可以用于室內空氣凈化器、醫用空氣凈化器、工業用空氣凈化器、工程用空氣凈化器等。
有益效果：本發明制備的線性鈦氧聚合物可以做為納米TiO2來源，也可以做為表面改性劑，其可分子級別地分散在溶劑中，成膜性好，通過簡單的浸漬、噴涂等即可在活性炭進行均勻負載，并能提高涂層在活性炭基體上的附著力。如背景技術部分所述，現有技術中TiO2光催化劑通過使用粘合劑將TiO2涂層與活性炭結合在一起，TiO2顆粒易團聚，或被粘合劑包圍，導致催化性能差。采用本發明制備的線性鈦氧聚合物涂覆活性炭，熱解后得到了納米TiO2涂層結構，涂層均勻、TiO2顆粒不團聚、TiO2負載量增加，光催化效率高，同時在不使用粘合劑的情況下，TiO2顆粒與活性炭的粘附力也很高，克服了現有技術的缺點。由于活性炭的獨特結構，對于光催化降解有機物的活性有促進作用。活性炭具有大的表面積，能為TiO2提供更多的附著點，提高污染物的降解效率。實驗證明在紫外光下對甲基橙有很好的降解能力；同時，具有抗菌、殺菌功能，并且可持久使用。
附圖說明
圖1為本發明光催化劑涂層的一種結構示意圖。
具體實施方式
為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面進一步闡述本發明。
參見圖1，一種用于空氣凈化的光催化劑涂層結構，包括一由活性炭構成的基體1，基體1的外表面負載有納米TiO2涂層2，納米TiO2涂層2的重量是基體1重量的5-30％。本發明的涂層結構具有單一涂層，而不是復合涂層，也沒有粘結劑包覆在TiO2表面的現象。本發明可通過吸附-光催化雙功能，實現有機微污染物深度凈化，具有優異的光催化效應；同時具有抗菌殺菌的效果，對人體無毒，不需要更換再生。把活性炭和TiO2合二為一，可以減少空氣凈化器中過濾層數，有效減小風阻；同時由于TiO2與活性炭二者存在顯著協同作用：活性炭可提高TiO2的光催化活性，加快TiO2對有機污染物的光催化降解速度；同時，納米TiO2可提高活性炭的吸附性能，宏觀上表現為增加活性炭對有機物的平衡吸附量。
納米TiO2涂層包括平均粒徑10～50nm的TiO2顆粒組成的納米TiO2涂層。納米TiO2涂層中的TiO2為銳鈦礦相，純度不小于99％。在紫外光的激發下可以引發光催化反應。銳鈦礦相的TiO2其催化活性高，而當金紅石相的TiO2出現時，其催化活性降低。的納米TiO2涂層為無色的和/或透明的。無色和/或透明的涂層具有高的透光率，可以有效地通過紫外光和可見光。活性炭可以是顆粒、棒體、纖維、中空微球。基體的比表面積在100-2000m2/g范圍內。
制備光催化劑涂層結構的方法，包括如下步驟：
步驟一、將活性炭構成的基體進行預處理；
步驟二、將線性鈦氧聚合物溶解在溶劑中配成溶液；
步驟三、將線性鈦氧聚合物溶液施加到基體上，干燥、在400～550℃燒結，線性鈦氧聚合物經燒結后獲得納米TiO2涂層，進而得到光催化劑涂層結構。
活性炭基體上以線性鈦氧聚合物作為TiO2來源所形成的TiO2/AC光催化劑涂層結構。本發明采用的線性鈦氧聚合物，一是作為鈦源，二是做為表面 改性劑，提高液體在活性炭上的附著力，所以在活性炭上負載光催化劑TiO2時，不需要在線性鈦氧聚合物溶液中添加粘結劑，即可牢固地負載于活性炭上。與已知的專利相比，本發明的涂層結構具有單一涂層，而不是復合涂層，也沒有粘結劑包覆在TiO2表面的現象。通過使用本發明的線性鈦氧聚合物在活性炭上負載TiO2，既解決了通常方法制備的TiO2涂層結構中TiO2負載量少、粘結不牢固的問題，又解決了TiO2光催化效率低的問題。
其中，步驟三中的線性鈦氧聚合物，是以重復的Ti-O鍵為主鏈、側基上連接有機基團的線性鈦氧聚合物，其包含以下的結構單元：
其中R1彼此獨立地選自-C2H5,-C3H7,-C4H9,-C5H11；R2代表OR1或者代表選自CH3COCHCOCH3和CH3COCHCOOC2H5的絡合基團；線性鈦氧聚合物中基于R2基團的總量，至少有50％的R2基團代表的絡合基團。線性鈦氧聚合物以蒸氣壓滲透法測定的數均分子量為2000～3000；線性鈦氧聚合物不含溶劑的純鈦氧聚合物具備軟化點，環球法測定的軟化點范圍為90～127℃。
本發明的光催化劑涂層結構，統稱為TiO2/AC光催化劑涂層結構。
實施例1 TiO2/AC光催化劑涂層結構的制備
將5g中空碳微球用蒸餾水浸泡、然后超聲，超聲后于100℃烘干；然后將線性鈦氧聚合物溶解在溶劑中，配制成一定濃度的溶液，其中以鈦計，濃度為1.0重量％；將配制好的線性鈦氧聚合物溶液加入到活性炭中，干燥，在500℃燒結1小時，得到納米TiO2負載量為6.5重量％的納米TiO2/AC光催化劑涂層結構。
將中空碳微球、TiO2/AC光催化劑進行紫外光照下的光降解實驗。取以上的涂層結構各1.0000g，加入到50ml甲基橙溶液中(濃度15mg/L)，用500W汞燈光照5小時后，甲基橙溶液幾乎完全降解。而活性炭，甲基橙濃度降到一定數值就不再變化，可知處理效果來源于活性炭的吸附特性。TiO2/AC具有顯著的光催化性能。
實施例2 TiO2/AC光催化劑涂層結構的制備
將5g活性炭顆粒用蒸餾水浸泡、然后超聲，超聲后于100℃烘干；然后將線性鈦氧聚合物溶解在溶劑中，配制成一定濃度的溶液，其中以鈦計，濃度為0.8重量％；將配制好的線性鈦氧聚合物溶液加入到活性炭中，干燥，在500℃燒結1小時，得到納米TiO2負載量為5.0重量％的納米TiO2/AC光催化劑涂層結構。
實施例3 TiO2-AC光催化劑涂層結構的制備
將5g活性炭顆粒用蒸餾水浸泡、然后超聲，超聲后于100℃烘干；然后將線性鈦氧聚合物溶解在溶劑中，配制成一定濃度的溶液，其中以鈦計，濃度為1.5重量％；將配制好的線性鈦氧聚合物溶液加入到活性炭中，干燥，在480℃燒結1小時，得到納米TiO2負載量為9.8重量％的納米TiO2/AC光催化劑涂層結構。
光催化劑涂層結構在空氣凈化方面的應用，包括分解空氣中的揮發性有機物，同時可以殺菌抗菌，可以用于室內空氣凈化器、醫用空氣凈化器、工業用空氣凈化器、工程用空氣凈化器等。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征以及本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。