[发明专利]光催化材料、分解有机物质的方法、内部装饰件、空气净化装置和产生氧化剂的装置

说明书

技术领域

本发明涉及具有可见光活性的光催化材料、使用该光催化材料分解有机物质的方法、用该光催化材料形成的内部装饰件、空气净化装置和产生氧化剂的装置。

背景技术

因为光催化材料可用廉价且对环境影响极低的光氧化和分解有机物质及一些无机物质如氮氧化物，故其近年来已被应用于环境净化、除臭、防污、消毒及其他应用中，各种光催化材料正在开发和研究之中。

众所周知的光催化剂包括氧化钛，其对紫外照射有响应，但对于在住宅室内及紫外照射很少的其他环境中的使用而言，需要对可见光有响应的光催化剂材料，这样的材料正在研究和开发之中。

例如，专利文件1披露了一种具有可见光活性的光催化材料，其中氧化钛晶体的氧原子位点部分地被氮原子所取代。

在该专利文件1所披露的光催化材料中，通过氧化钛晶体的氧原子位点部分地被氮原子所取代时在氧化钛的价带的负侧上形成新的孤立能级获得可见光活性。当所述孤立能级处的电子暴露于能量等于或高于所述孤立能级与导带间的带隙能的光子时，其被激发至氧化钛的导带，而在所述孤立能级中产生空穴，从而产生可见光活性。

但以这种方式在氧化钛的价带的负侧上形成的孤立能级具有低电位，故因暴露于可见光的电子光激发所产生的空穴的氧化能力低，在孤立能级处产生的空穴的运动也受限，故与待氧化的基底的反应性低。因此，专利文件1中所披露的光催化材料的问题在于其具有可见光活性但氧化分解活性低。

也可通过用另一金属离子掺杂氧化钛的钛离子位点从而使氧化钛的导带下端电位向正侧偏移或在导带下端电位的正电位侧上形成孤立能级来获得可见光吸收。但当氧化钛的导带下端电位充分向正侧偏移以提供可见光吸收时或当在导带下端电位的正电位侧上形成孤立能级时，偏移的导带下端或所产生的孤立能级的电位高于氧的单电子还原电位(-0.046V相比于相比于SHE，pH＝0)，光激发的电子不再能一电子还原氧。光激发的电子与所产生的空穴复合并失去其氧化分解活性，因此这种金属离子掺杂氧化钛仅表现出非常低的氧化分解活性。

专利文件1：日本专利3601532

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提供一种响应可见光而表现出强氧化分解活性的金属离子掺杂的氧化钛光催化材料，以及利用该强氧化分解活性分解有机物质的方法、内部装饰件、空气净化装置和产生氧化剂的装置。

在本发明的具有可见光活性的光催化材料中，二价铜盐和/或三价铁盐被负载于通过用金属离子掺杂氧化钛以得到价带电位为3V以上(相比于SHE，pH＝0)、价带与自价带激发的电子的能级(包括导带下端电位和孤立电位)间的带隙为3V以下的金属离子掺杂氧化钛所获得的金属离子掺杂的氧化钛的表面上。

为以这种方式控制价带电位和带隙，应通过用金属离子掺杂氧化钛使导带下端电位向正电位偏移或在导带下端电位的正电位侧上形成孤立能级，而不改变氧化钛价带的电位。

本发明利用了二价铜盐和三价铁盐起到氧的多电子还原的催化剂的作用这一事实。也就是说，当通过在金属离子掺杂氧化钛的表面上携带二价铜盐或三价铁盐所形成的光催化材料暴露于能量等于或高于所述金属离子掺杂氧化钛的带隙能的光时，自所述金属离子掺杂氧化钛的价带光激发的电子自所述金属离子掺杂氧化钛的导带移动到负载于所述金属离子掺杂氧化钛上的二价铜盐的Cu(II)离子或三价铁盐的Fe(III)离子，从而将Cu(II)离子还原为Cu(I)离子或将Fe(III)离子还原为Fe(II)离子。然后，如下面的方程式中所示，Cu(I)离子和Fe(II)离子进行环境中氧原子的多电子还原，在2-电子还原的情况下产生过氧化氢或在4-电子还原的情况下产生水，并使Cu(II)和Fe(III)恢复到其最初状态。

2-电子还原：

2Cu(I)+O₂+2H⁺→2Cu(II)+H₂O₂

2Fe(II)+O₂+2H⁺→2Fe(III)+H₂O₂

4-电子还原：

4Cu(I)+O₂+4H⁺→4Cu(II)+2H₂O

4Fe(II)+O₂+4H⁺→4Fe(III)+2H₂O

或