JP2006528056A - 金／二酸化チタン光触媒を含む空気浄化システム - Google Patents

Abstract

金／二酸化チタン光触媒／熱触媒被覆は同時に、その被覆上に吸着する揮発性有機化合物と一酸化炭素とを、水、二酸化炭素および他の物質に酸化する。金は、３ナノメートル未満のサイズを有する。紫外光の光子が金／二酸化チタン被覆により吸収されると、反応性ヒドロキシルラジカルが形成される。汚染物質が、金／二酸化チタン被覆上に吸着されると、このヒドロキシルラジカルが、汚染物質を酸化して、水、二酸化炭素および他の物質を生成する。金は、一酸化炭素の障壁エネルギーを低下させ、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する酸化触媒である。したがって、金／二酸化チタン被覆は同時に一酸化炭素を二酸化炭素に酸化することもできる。

Description

本発明は一般的に、ナノサイズの金粒子を有する金／二酸化チタン光触媒／熱触媒（ｔｈｅｒｍｏｃａｔａｌｙｓｔ）被覆に関し、これは、その表面上に吸着される揮発性有機化合物および一酸化炭素を含む気体状汚染物質を酸化して、二酸化炭素、水および他の物質を形成する。

室内空気は、一酸化炭素ならびにホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、トルエン、プロパナールおよびブテンなどの揮発性有機化合物を含む痕跡量の汚染物質を含みうる。空気からこれらの汚染物質を除去するために、活性炭などの吸収剤空気フィルターが使用されている。空気がフィルターを通して流れる際に、フィルターは汚染物質の通過を阻止するので、汚染物質のない空気をフィルターから流すことができる。フィルターを使用することの欠点は、これらが、汚染物質の通過を単に阻止するだけであって、これらを破壊しないことである。加えて、空気フィルターは、一酸化炭素を阻止するためには有効ではない。

二酸化チタンは、汚染物質を破壊するための光触媒として空気浄化装置中で使用されている。二酸チタンにより紫外光が照射されると、光子が二酸化チタンに吸収され、価電子帯から伝導帯へと電子を上げる。すると、価電子帯に正孔が生じ、電子が伝導帯に付加される。上げられた電子は酸素と反応し、価電子帯に残っている正孔は水と反応して、反応性ヒドロキシルラジカルを形成する。汚染物質が、二酸化チタン触媒上に吸着すると、ヒドロキシルラジカルが攻撃し、汚染物質を、水、二酸化炭素および他の物質に酸化する。

ドープされているか、金属酸化物処理された二酸化チタンは、二酸化チタン光触媒の有効性を高める。しかしながら、二酸化チタンおよびドープされた二酸化チタンは、一酸化炭素を酸化する際には、有効ではない。一酸化炭素（ＣＯ）は、無色無臭の有毒ガスであり、これは、炭化水素燃料の不完全燃焼により形成される。一酸化炭素は、他の毒よりも多くの死の原因であり、閉ざされた環境では特に危険である。一酸化炭素は、灯油、天然ガス、ガソリン、プロパン、ブタンなどの炭素系の燃料および木材、紙などの有機物質の不完全燃焼に由来する。一酸化炭素は、室内空気中では不適切な喚起、タバコの煙により、もしくは室外空気では自動車の排気により増加しうる。一酸化炭素中毒は、長時間にわたって少量の一酸化炭素が存在する際に生じうる。脳、心臓および肺などのダメージを受けやすい臓器は、酸素不足の被害を最も被る。８時間平均でのＥＰＡ規定暴露（ｍａｎｄａｔｅｄ ｅｘｐｏｓｕｒｅ）は、３０ｐｐｍと設定されている。

したがって、光触媒表面に吸着する揮発性有機化合物および一酸化炭素を含む気体状汚染物質を酸化して、二酸化炭素、水および他の物質を形成する光触媒／熱触媒被覆が必要とされている。

基体上の金／二酸化チタン光触媒／熱触媒被覆は、その被覆上に吸着する任意の汚染物質を、水、二酸化炭素および他の物質に酸化することにより、建物または乗り物内の空気を浄化する。金粒子は、ナノサイズであり、３ナノメートル未満のサイズを有する。

ファンが、空気を空気浄化システム中に引込む。空気は、ハニカムの開放通路またはチャネルを通して流れる。ハニカムの表面は、金／チタン被覆で被覆されている。連続するハニカムの間に配置されている紫外線光源が、金／二酸化チタン被覆を活性化する。

紫外光の光子が、金／二酸化チタン被覆により吸収されると、反応性ヒドロキシルラジカルが形成される。揮発性有機化合物などの汚染物質が、金／二酸化チタン被覆上に吸着されると、このヒドロキシルラジカルが汚染物質を攻撃して、水素原子を汚染物質から引抜き、揮発性有機化合物を、水、二酸化炭素および他の物質に酸化する。

室温で、金／二酸化チタン被覆は一酸化炭素を二酸化炭素に酸化すると同時に、有害な揮発性有機化合物を酸化する。一酸化炭素が被覆上に吸着されると、金は、酸化触媒として作用して、一酸化炭素のエネルギー障壁を低下させて、酸素の存在下で一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する。加えて、二酸化チタンの表面上の金粒子は、電子および正孔の再結合速度を低下させて、被覆の光触媒活性を高める。金／二酸化チタン被覆は同時に、光触媒および熱触媒の両方として作用する。

二酸化チタンに金属酸化物をドープして、二酸化チタンの表面に金粒子を固定化し、金粒子が移動して、光触媒／熱触媒の有効性が低下することを防ぐこともできる。

次の詳述および図面により、本発明のこれらの形態や他の形態をさらに良好に理解することができるであろう。

現在好ましい実施形態の次の詳述により、本発明の様々な形態および利点が、当業者に明らかになるであろう。詳述を伴う図面を、簡単には次のように説明することができる。

図１は、部屋、オフィスもしくは車、列車、バスまたは航空機などの乗り物のキャビンなどの室内空間１２を含む建物、乗り物または他の構造物１０を概略的に示す図である。ＨＶＡＣシステム１４が、室内空間１２を暖房または冷房する。室内空間１２内の空気は、通路１６によって、ＨＶＡＣシステム１４中に引込まれる。ＨＶＡＣシステム１４は、室内空間１２から引出された空気１６の温度を変える。ＨＶＡＣシステム１４が冷房モードで作動しているならば、空気は冷却される。代わって、ＨＶＡＣシステム１４が暖房モードで作動しているならば、空気は加熱される。次いで、空気は、通路１８によって室内空間１２へと戻されて、室内空間１２内の空気温度は変わる。

図２は、揮発性有機化合物、半揮発性有機化合物および一酸化炭素などの汚染物質を、水、二酸化炭素および他の物質に酸化することにより、建物または乗り物１０内の空気を浄化するために使用される空気浄化システム２０を示す概略図である。例えば、揮発性有機化合物は、アルデヒド、ケトン、アルコール、芳香族化合物、アルケンまたはアルカンであってよい。さらに空気浄化システム２０は、空気を浄化し、その後、これを、通路１６でＨＶＡＣシステム１４に引き入れることもできるし、またはＨＶＡＣシステム１４から出た空気を浄化して、その後これを、通路１８で、建物または乗り物１０の室内空間１２に引き入れることができる。空気浄化システム２０は、ＨＶＡＣシステム１４と共に使用されない独立ユニットであってもよい。

ファン３４は、入口２２を通して、空気浄化システム２０に空気を引込む。空気は、粒子フィルター２４を通して流れるが、これは、埃または任意の他の大きな粒子を、これらの粒子の流れを阻止することによりフィルター除去する。次いで、空気は、ハニカムなどの基体２８を通して流れる。一例では、ハニカム２８は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から製造される。図３は、複数の六角形開放通路またはチャネル３０を有するハニカム２８の正面図を示す概略図である。複数の開放通路３０の表面は、金／二酸化チタン光触媒／熱触媒被覆４０で被覆されている。紫外光により活性化されると、被覆４０は、金／二酸化チタン被覆４０の上に吸着される揮発性有機化合物を酸化する。下記で説明するように、空気がハニカム２８の開放通路３０を通して流れると、金／二酸化チタン被覆４０の表面に吸着される汚染物質は、二酸化炭素、水および他の物質に酸化される。

連続するハニカム２８の間に配置される光源３２が、開放通路３０の表面の光触媒被覆４０を活性化する。図に示されているように、ハニカム２８および光源３２は、空気浄化システム２０内に交互に存在する。即ち、各ハニカム２８の間に、光源３２は位置している。好ましくは、光源３２は、１８０ナノメートルから４００ナノメートルの範囲の波長を有する光を発生させる紫外線光源である。

光源３２が照射されると、ハニカム２８の表面上の金／二酸化チタン被覆４０が活性化される。紫外光の光子が、金／二酸化チタン被覆４０により吸収されると、電子が、価電子帯から伝導帯へと上げられ、価電子帯に正孔が生成される。金／二酸化チタン被覆４０は、酸素および水の存在下で、汚染物質を、二酸化炭素、水および他の物質に酸化するはずである。伝導帯へ上げられた電子は、酸素に捕獲される。価電子帯の正孔は、金／二酸化チタン被覆４０上に吸着される水分子と反応して、反応性ヒドロキシルラジカルを生成する。

汚染物質が、被覆上４０に吸着されると、ヒドロキシルラジカルが汚染物質を攻撃し、水素原子を汚染物質から引抜く。こうして、ヒドロキシルラジカルが、汚染物質を酸化し、水、二酸化炭素および他の物質を生成する。

二酸化チタンの表面に位置する高度に分散された金粒子は、電子および正孔の再結合速度を低下させ、被覆の光触媒活性を高める。一例では、金／二酸化チタンは、ホルムアルデヒド酸化の光触媒反応速度を、純粋な二酸化チタンよりも約４０％ほど高めることが判明している。光触媒の改良を達成するために、金粒子は、ナノ分散されている。好ましくは、金粒子は、３ナノメートル未満のサイズを有する。熱触媒機能に関して、金粒子のサイズは、一酸化炭素酸化の活性に対しても重要であり、これは、金が非常に小さいナノ粒子で成形されていることに依存する。

室温で、金／二酸化チタン被覆４０は、酸素の存在下で一酸化炭素を酸化して、二酸化炭素にすると同時に、有害な揮発性有機化合物を酸化する。一酸化炭素が被覆に吸着すると、金／二酸化チタンは、熱酸化触媒として作用し、一酸化炭素のエネルギー障壁を低下させて、酸素の存在下で一酸化炭素を酸化して、二酸化炭素にする。二酸化チタンは、低温一酸化炭素酸化のために活性である金粒子のための有効な担体である。したがって、金／二酸化チタン光触媒／熱触媒被覆は同時に、光触媒と熱触媒との両方として作用する。

一酸化炭素酸化は主に、金粒子の境界面で生じる。一酸化炭素は、金の表面または境界部位に吸着されて、カルボニル化学種を形成する。酸素は、金／二酸化チタン表面に吸着される。酸素は、境界面に吸着されると考えられる。境界部位のカルボニル化学種は酸素と反応して、酸素−金−一酸化炭素複合体を形成する。この複合体が分解して、二酸化炭素を形成する。

好ましくは、二機能触媒のための担体は、二酸化チタンである。一例では、二酸化チタンは、ミレニウム（Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ）チタニア、デグッサ（Ｄｅｇｕｓｓａ）Ｐ−２５または同等の二酸化チタンである。しかしながら、熱触媒機能／一酸化炭素酸化のための活性な担体であるならば、他の光触媒物質もしくは二酸化チタンと他の金属酸化物との組み合わせを使用することもできることは理解されるべきである。例えば、光触媒物質は、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ｖ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂またはＦｅＴｉＯ₃であってよい。加えて、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ｖ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂、ＣｕＯ、ＭｎＯ_x、ＷＯ₃、Ｃｏ₃Ｏ₄、ＣｅＯ₂、ＺｒＯ₂、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃またはＮｉＯなどの他の金属酸化物を二酸化チタンと混合することもできる。

二酸化チタンに金属酸化物を負荷して、被覆４０の光触媒および熱触媒有効性をさらに改善することもできる。金は、二酸化チタンの表面で移動して、大きなクラスターを形成する傾向を有する。この金粒子の移動により、金／二酸化チタン被覆４０の有効性が低減することがある。二酸化チタンの表面に金属酸化物を負荷することにより、金属酸化物が金粒子を分離して、これらが移動して、大きなクラスターを形成することを防ぎ、それによって、金／二酸化チタン被覆４０の有効性を増大させることができる。好ましくは、金属酸化物を使用して、金粒子を二酸化チタンの表面に固定化する。一例では、金属酸化物は、ＷＯ₃、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＳｒＴｉＯ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｖ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂、ＦｅＴｉＯ₃、ＰｂＯ、ＣｅＯ₂、ＣｕＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｎＯｘ、Ｃｒ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂である。

加えて、ナノサイズの金を含有する混合金属粒子を二酸化チタン担体に負荷することもできる。金属は、銀、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、白金またはレニウムのうちの一つまたは複数であってよい。

ハニカム２８を通過した後、次いで浄化された空気を、出口３６を通して空気浄化装置から排出する。空気浄化システム２０の壁３８は好ましくは、反射性物質４２でライニングされている。反射性物質４２は、ハニカム２８の開放通路３０の表面へと紫外光を反射する。

金／二酸化チタン被覆の触媒性能は、調製方法に影響を受ける。金の触媒活性は、金がナノ粒子に成形されていることに依存する。共沈、析出−沈殿、液相グラフト、コロイド混合、含浸または化学蒸着を含む任意の方法により、金のナノ粒子を生じさせることができる。

共沈法では、室温またはやや高めた温度で、一定のｐＨで、金前駆体の水溶液とチタン前駆体の水溶液とを混合することにより、触媒を調製することができる。沈殿物を濾過し、蒸留水で十分に洗浄し、７０℃で真空下で一晩乾燥する。乾燥させた後に、生成物を２００℃から５００℃の範囲でか焼すると、乾燥した金／二酸化チタン光触媒／熱触媒が形成される。

析出−沈殿法では、二酸化チタン粉末を、蒸留水所望量のＨＡｕＣｌ₄に懸濁させる。この混合物に尿素を徐々に添加し、次いで、混合物を８０°から９０℃に加熱し、尿素を分解すると、ＮＨ₄ＯＨ（水酸化アンモニウム）および二酸化炭素が放出されて、混合物のｐＨが高まる。ｐＨが徐々に高まることにより、二酸化チタンの表面へのＡｕ（ＯＨ）₃の均一な沈殿が生じる。試料を蒸留水で十分に洗浄して、残留塩化物イオンを除去する。次いで、試料を７０℃で真空下で一晩乾燥する。次いで、試料を２００℃から５００℃の温度でか焼すると、乾燥した金／二酸化チタン光触媒／熱触媒が形成される。析出−沈殿法の利点は、活性成分が全て、二酸化チタン担体の表面に残り、その中に埋もれないことである。

液相グラフト法では、溶液中の金錯体が、二酸化チタンなどの基体の表面と反応して、触媒活性な形態に変換可能な化学種を形成する。Ｍｅ₂Ａｕを、金前駆体として使用することができる。前駆体をアセトンに溶かし、次いで、二酸化チタンを溶媒に添加する。この混合物を沈殿させると、金前駆体が金属酸化物表面に吸着する。次いで、この混合物を濾過し、４００℃で４時間か焼する。

ハニカム２８に二機能触媒を被覆するために、水を、乾燥した金／二酸化チタン光触媒／熱触媒に添加して、懸濁液を形成する。噴霧、電気泳動または浸漬被覆により、この懸濁液をハニカム２８の表面に付与して、金／二酸化チタン被覆４０を形成する。懸濁液を付与した後に、懸濁液を乾燥して、ハニカム２８上に均一な金／二酸化チタン被覆４０を形成する。

ハニカム２８が描出および記載されているが、金／二酸化チタン被覆４０を任意の構造物に付与することができることは、理解されるべきである。ハニカム２８の空隙は通常、形状が六角形であるが、他の空隙形状を使用することもできることは理解されるべきである。汚染物質が、光源の存在下で構造物の金／二酸化チタン被覆４０上に吸着すると、汚染物質は、水、二酸化炭素および他の物質に酸化される。

前記記載は、本発明の原理を例示しているにすぎない。前記教示に従い、本発明の多くの変更および変化が可能である。本発明の好ましい実施形態を開示したが、当業者であれば、一定の変更も、本発明の範囲内であることを認めるであろう。したがって、添付の請求項の範囲内で、特に記載したとは別に、本発明を実施することもできることは理解されるであろう。このため、本発明の真の範囲および内容を決定するためには、この請求項を検討すべきである。

屋内空間およびＨＶＡＣシステムを含む建物、乗り物または他の構造物などの閉ざされた環境を示す概略図。 本発明の空気浄化システムを示す概略図。 空気浄化システムのハニカムを示す概略図。

Claims (16)

1. 基体と、
   前記基体上に付与されている金／二酸化チタン被覆であって、二酸化チタン上にナノサイズの金を含む金／二酸化チタン被覆と、
   前記金／二酸化チタン被覆を活性化する光源と、
   を備える空気浄化システムであって、前記金／二酸化チタン被覆は、前記光源により活性化されると、前記金／二酸化チタン被覆上に吸着される汚染物質を酸化することを特徴とする空気浄化システム。
2. 前記金は、３ナノメートル未満のサイズを有することを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
3. 前記光源は、紫外線光源であることを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
4. 前記光源からの光子が、前記金／二酸化チタン被覆により吸収されて、酸素と水の存在下で汚染物質を水と二酸化炭素に酸化する反応性ヒドロキシルラジカルを形成することを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
5. 前記汚染物質は、アルデヒド、ケトン、アルコール、芳香族化合物、アルケンおよびアルカンの少なくとも一つを含む、揮発性有機化合物および半揮発性有機化合物のうちの一つであることを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
6. 前記金／二酸化チタン被覆は、室温で一酸化炭素を二酸化炭素に酸化することを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
7. 前記金／二酸化チタン触媒被覆は、前記金が前記二酸化チタンの表面で移動することを防ぐドーパントをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
8. 前記ドーパントは、金属酸化物であることを特徴とする請求項７記載の空気浄化システム。
9. 前記金属酸化物は、ＷＯ₃、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＳｒＴｉＯ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｖ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂、ＦｅＴｉＯ₃、ＰｂＯ、ＣｅＯ₂、ＣｕＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｎＯ_x、Ｃｒ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項８記載の空気浄化システム。
10. 前記基体は、固体壁により分離されている空隙の配列であることを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
11. 前記空気浄化システムは、ハウジングをさらに含み、前記空気浄化システムは、前記ハウジング内にあり、前記ハウジングの壁は、反射性物質でライニングされていることを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
12. 前記空気浄化システムは、室温で存在することを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
13. 前記ナノサイズの金は、ナノサイズの金を含有する混合金属粒子であることを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
14. 前記ナノサイズの金を含有する混合金属粒子は、銀、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、白金およびレニウムのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１３記載の空気浄化システム。
15. 入口および出口を有する容器と、
    前記容器内にある多孔性基体と、
    流体を前記入口を通して前記容器内に引込み、前記流体を前記多孔性基体を通して流し、前記流体を前記出口を通して前記容器から放出する装置と、
    前記基体上に付与されている金／二酸化チタン触媒被覆であって、二酸化チタン上に一酸化炭素を二酸化酸素に酸化するためのエネルギー障壁一酸化炭素を低下させるナノサイズの金を含む金／二酸化チタン触媒被覆と、
    前記触媒被覆を活性化する紫外線光源と、
    を備える空気浄化システムであって、前記紫外線光源からの光子が、前記金／二酸化チタン触媒被覆により吸収されて、反応性ヒドロキシルラジカルを形成し、前記反応性ヒドロキシルラジカルは、前記光紫外線光源により活性化されると、前記金／二酸化チタン触媒被覆上に吸着される前記流体中の汚染物質を、水と酸素の存在下で水と二酸化炭素に酸化することを特徴とする空気浄化システム。
16. 二酸化チタン上にナノサイズの金を含み、付与される金／二酸化チタン触媒被覆を基体上に付与し、
    前記金／二酸化チタン触媒被覆を活性化し、
    反応性ヒドロキシルラジカルを形成し、
    前記金／二酸化チタン触媒被覆上に汚染物質を吸着し、
    前記汚染物質を前記ヒドロキシルラジカルで酸化し、
    前記金／二酸化チタン触媒被覆の前記金で、一酸化炭素のエネルギー障壁を低下させ、
    次いで、前記一酸化炭素を酸化する、
    各ステップを含むことを特徴とする空気を浄化する方法。

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