一种基于碳量子点颗粒的过滤部件

技术领域

本申请涉及空气净化领域，具体而言，涉及一种基于碳量子点颗粒的过滤部件。

背景技术

光催化空气净化器是常见的空气净化产品。通过机械过滤和光催化反应能够去除空气中的颗粒污染物和有机气体污染物，如甲醛等，达到净化空气的目的。光催化空气净化器的净化效率是重要的衡量指标，空气净化效率越高，单位时间内去除的污染物越多，去除一定量污染物所需要的时间越短。

光催化空气净化器的核心部件为过滤部件。一般地，待净化空气由进风口进入，通过活性炭等材料过滤掉颗粒污染物，初级净化后的空气到达光触媒颗粒附近，在紫外光的照射下，光触媒颗粒与空气中的氧气、水分子、有机气体污染物等产生光催化反应，最终将有毒的有机气体污染物转化为无毒的二氧化碳和水，起到净化的效果。具体地，紫外光照射在光触媒颗粒的表面时，光子能量使得光触媒颗粒价带上的电子跃迁到导带上，在价带上留下空穴，即生成光生电子和光生空穴，光催化反应的进行依赖于光生电子和光生空穴进行，因此，在光催化反应中光触媒颗粒对光场的利用率十分关键。

现有的提升过滤部件净化效率的方式为制备尺寸更小的光触媒颗粒，增大光触媒颗粒的比表面积，或增加光触媒颗粒的数量；然而，通过单纯增加光触媒颗粒的数量、减小粒径增大比表面积实现产生的光生电子和光生空穴的增多，到达一定程度后，增加作用饱和，不能进一步提升，其中忽视了光场的利用率在光催化反应中的重要性。

综上所述，现有的过滤部件对光场的利用率较低，产生的光生电子和光生空穴较少，光催化反应强度较弱，空气净化效率较低。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于碳量子点颗粒的过滤部件，以解决现有技术中过滤部件对光场的利用率较低，产生的光生电子和光生空穴较少，光催化反应强度较弱，空气净化效率较低的问题。

为实现上述目的，本发明的技术构思如下：在玻璃层和光触媒颗粒层之间设置碳量子点颗粒层，碳量子点颗粒粒径较小，即使在光触媒颗粒远离光源一侧也能够被充分照射到，提升对光场的利用率，其中对光场利用率的提升包括以下两方面。第一方面，提升光触媒颗粒对光场的吸收，具体地，由于具有上转换性能，光触媒颗粒能够吸收可见光，将长波长的可见光转化为短波长紫外光，紫外光作用于光触媒颗粒上，产生光生电子和光生空穴，即光触媒颗粒能够利用可见光产生光生电子和光生空穴，提高了光触媒颗粒对可见光波段的利用率，最终提升空气净化效率。第二方面，提升对光触媒颗粒产生的光生电子和光生空穴的利用率，具体地，相邻碳量子点颗粒之间互相接触，形成了电子的转移通道，使得光生电子能够在光触媒颗粒之间迁移，从而使得各光触媒颗粒上的光生电子的浓度趋于一致，各光触媒颗粒上光催化反应的强度一致。这避免了光催化反应较强的光触媒颗粒由于需要的反应物较多，光触媒颗粒周围的反应物浓度不能满足，导致光催化反应强度不能进一步提升的情况；也避免了光催化反应较弱的光触媒颗粒由于不能充分地进行光催化反应，周围光催化反应物较多，造成浪费的情况。因此，通过碳量子点颗粒使得光触媒颗粒之间的光生电子“共享”，提升对光生电子和光生空穴的利用率，从而增强光触媒颗粒上光催化反应的强度，提升净化效率。

本申请提供一种基于碳量子点颗粒的过滤部件，该过滤部件包括外框结构、底盖、光触媒颗粒层、碳量子点颗粒层、玻璃层、活性炭层、第一光源。外框结构和底盖的材料为硬质不透明材料，例如硬质合金等。外框结构为一端开口的容器，容器有顶壁和侧壁。底盖为外框结构的底部盖子，底盖和外框结构之间通过螺纹连接或者粘合方式固定连接。底盖上有多个贯穿孔，用于使待净化空气流入。

活性炭层的材料为活性炭棉，活性炭棉为多孔状结构，用于吸附空气中的颗粒污染物和部分气体污染物，对待净化空气进行初步净化。活性炭层的厚度大于2cm，待净化空气通过活性炭层的距离越长，被吸附的颗粒污染物和气体越多，这样能够对空气进行有效的初级净化。活性炭层固定设置于底盖靠近顶壁一侧，活性炭层于底盖之间可以接触也可以不接触，优选地，二者之间距离0.5-1.0cm，这样底盖阻挡的杂物污染物与活性炭层不接触，避免了杂物污染物对活性炭层的污染。

玻璃层的材料为玻璃，碳量子点颗粒层为2-3层碳量子点颗粒组成，光触媒颗粒层为光触媒颗粒组成，具体地，由1-2层光触媒颗粒组成，光触媒颗粒的材料为TiO

玻璃层倾斜固定于侧壁上，具体地，倾斜的角度可以是任意角度，但需保证玻璃层设置有光触媒颗粒层的一侧靠近底盖，玻璃层与侧壁之间紧密接触，玻璃层与侧壁之间没有间隙，二者之间可以是通过粘合剂粘合固定。玻璃层的厚度可以为毫米或厘米数量级，优选地，玻璃层的厚度为0.1-0.3cm，这样能够为光触媒颗粒层和碳量子点颗粒层提供有效的支撑作用，还不会使得部件整体过重。第一光源设置于活性炭层和玻璃层之间的侧壁上。第一光源为紫外可见光源，光触媒颗粒吸收紫外光，碳量子点颗粒吸收可见光，将可见光转化为紫外光，提升光触媒颗粒对光场的利用率，提升空气净化效率。

侧壁上设置有抽气孔，抽气孔设置于玻璃层和活性炭层之间，用于外界抽气设置，使玻璃层和活性炭层之间形成负压，使周围空气由活性炭层一侧进入。优选地，抽气孔设置于玻璃层距离活性炭层较远一端，与玻璃层较远一端的距离小于1cm，更优选地，抽气孔的方向垂直于玻璃层所在平面，这样初步净化后的空气在玻璃层和活性炭层不会直接由抽气孔排出，会在玻璃层和活性炭层之间形成环流，使得空气与光触媒颗粒和碳量子点颗粒的相互作用时间较长，从而提升光催化反应的强度，提高空气净化效率。

进一步地，光触媒颗粒远离碳量子点颗粒层一侧固定设置有贵金属凸起。贵金属凸起的材料为金或银，在光场作用下，贵金属凸起上产生局域表面等离激元共振现象，将光场局域在其附近，使得光触媒颗粒与光场的相互作用更强，从而增强光催化反应的强度，提升空气净化效率。

更进一步地，玻璃层远离活性炭层一侧的顶壁或侧壁上固定设置有第二光源。第二光源为可见光源，第二光源发出的光照射在玻璃层远离光触媒颗粒层一侧，可见光透过玻璃层照射在碳量子点颗粒层，被碳量子点颗粒吸收转化为紫外光，紫外光作用于光触媒颗粒产生光生电子和光生空穴，这样能够产生更多的光生电子和光生空穴，提高光催化反应的强度，提高空气净化效率。优选地，第二光源和第一光源的连线与玻璃层垂直，这样第二光源发出的光能够充分照射在碳量子点颗粒层上，使得光场与碳量子点颗粒层的相互作用较强，从而提升光催化反应强度，提高空气净化效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明在玻璃层和光触媒颗粒层之间设置碳量子点颗粒层，提升对光场的利用率，其中对光场利用率的提升主要指提升光触媒颗粒对光场的吸收和提升对光触媒颗粒产生的光生电子和光生空穴的利用率。第一方面，利用光触媒颗粒的上转换特性，将光触媒颗粒不能直接吸收的可见光转化为光触媒颗粒能够吸收的紫外光，从而提升光触媒颗粒对光场的吸收，使得光触媒颗粒能够产生更多的光生电子和光生空穴。第二方面，相邻碳量子点颗粒之间互相接触，使得光生电子能够在光触媒颗粒之间迁移，从而使得各光触媒颗粒上的光生电子的浓度趋于一致，各光触媒颗粒上光催化反应的强度一致；这避免了光催化反应较强的光触媒颗粒由于需要的反应物较多，光触媒颗粒周围的反应物浓度不能满足，导致光催化反应强度不能进一步提升的情况；也避免了光催化反应较弱的光触媒颗粒由于不能充分地进行光催化反应，周围光催化反应物较多，造成浪费的情况；因此，通过碳量子点颗粒使得光触媒颗粒之间的光生电子“共享”，提升对光生电子和光生空穴的利用率，从而增强光触媒颗粒上光催化反应的强度，提升净化效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于碳量子点颗粒的过滤部件的示意图；

图2为本发明提供的一种基于碳量子点颗粒的过滤部件中光触媒颗粒层、碳量子点颗粒层、玻璃层的示意图；

图3为本发明提供的一种基于碳量子点颗粒的过滤部件中碳量子点颗粒将可见光转化为紫外光的原理示意图；

图4为本发明提供的一种基于碳量子点颗粒的过滤部件中光触媒颗粒和碳量子点颗粒之间电子转移的示意图。

图标：1-外框结构；2-底盖；3-玻璃层；4-碳量子点颗粒层；5-光触媒颗粒层；6-活性炭层；7-第一光源；8-第二光源。

具体实施方式

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

本发明提供了一种基于碳量子点颗粒的过滤部件，如图1和图2所示，该过滤部件包括外框结构1、底盖2、玻璃层3、碳量子点颗粒层4、光触媒颗粒层5、活性炭层6、第一光源7。外框结构1和底盖2的材料为硬质不透明材料，例如硬质合金等。外框结构1为一端开口的容器，容器有顶壁和侧壁，容器的形状可以为任意形状，优选地，容器的形状为圆柱体、长方体中的一种，这样的常规形状方便制备。底盖2为外框结构1的底部盖子，即底盖2与外框结构1的开口的形状和尺寸相匹配，底盖2和外框结构1之间通过螺纹连接或者粘合方式固定连接。底盖2上有多个贯穿孔，用于使待净化空气流入，具体地，贯穿孔的贯穿方向可以相同也可以不同，底盖的厚度和容器的厚度均小于8mm，这样不会使得过滤部件过重，底盖2的厚度和容器壁的厚度可以相同也可以不同，优选地，贯穿孔的内径小于3mm，这样底盖能够阻挡较大的颗粒污染物和杂物，能够更好地保护内部结构。

活性炭层6的材料为活性炭棉，活性炭棉为多孔状结构，用于吸附空气中的颗粒污染物和部分气体污染物，对待净化空气进行初步净化。活性炭层6的厚度大于2cm，其厚度越大，待净化空气通过活性炭层6的距离越长，被吸附的颗粒污染物和气体越多，这样能够对空气进行有效的初级净化。活性炭层6固定设置于底盖2靠近顶壁一侧，活性炭层6于底盖2之间可以接触也可以不接触，优选地，二者之间距离0.5-1.0cm，这样底盖2阻挡的杂物污染物与活性炭层6不接触，避免了杂物污染物对活性炭层6的污染。活性炭层6与括外框结构1的侧壁之间固定连接，具体地，可以是粘合固定。玻璃层3的材料为玻璃，碳量子点颗粒层4为2-3层碳量子点颗粒组成，光触媒颗粒层5由光触媒颗粒组成，具体地，由1-2层光触媒颗粒组成，光触媒颗粒的材料为TiO

玻璃层3一侧固定设置有碳量子点颗粒层4，碳量子点颗粒层4远离玻璃层3一侧固定设置有光触媒颗粒层5。光触媒颗粒层5用于在光照作用下进行光催化反应，以净化空气；碳量子点颗粒层4用于将长波长的可见光转化为短波长紫外光，从而被光触媒颗粒吸收，用于光催化反应，提升光场的利用率。具体地，如图3所示，可见光照射在碳量子点颗粒上，碳量子点颗粒吸收可见光，多个光子将电子由价带跃迁到导带或者光子先由基态跃迁到亚稳态，再由亚稳态被激发到基态，最终以辐射的形式回到基态，从而使得能量较小的长波长光子能够转化为能量较大的短波长光子，实现上转换。更具体地，在光场照射下，碳量子点颗粒能够将光触媒颗粒不能利用的可见光转化为光触媒颗粒能够利用的紫外光，使得光触媒颗粒中产生更多的光生电子和光生空穴，提高光催化反应的强度，进而提高净化效率。优选地，光触媒颗粒的粒径为50-200nm，光触媒颗粒的粒径可以相同也可以不同，光触媒颗粒的粒径相同，方便制备，光触媒颗粒的粒径不同，由于不同粒径的光触媒颗粒的吸收光的中心波长不同，粒径不同的光触媒颗粒对应的吸收光的中心波长不完全相同，这提升了光触媒颗粒对光源的利用率，使得光催化反应强度更强，空气净化效率更高。光触媒颗粒之间不接触，间距为100-200nm，这样能够使得其远离光源一侧的碳量子点颗粒充分被照射到，从而将更多可见光转化为紫外光，提升光场的利用率，提高光催化效率。

碳量子点颗粒的粒径为2-8nm，碳量子点颗粒的粒径可以相同，也可以不同。相邻碳量子点颗粒之间可以相互接触也可以相互不接触，优选地，相邻碳量子点颗粒之间接触，这样能够提升对光触媒颗粒产生的光生电子和光生空穴的利用率。具体地，相邻碳量子点颗粒之间互相接触，如图4所示，碳量子点颗粒可以同时作为电子的受体和供体，即形成了电子的转移通道，使得光生电子能够在光触媒颗粒之间迁移，从而使得各光触媒颗粒上的光生电子的浓度趋于一致，各光触媒颗粒上光催化反应的强度一致。这避免了光催化反应较强的光触媒颗粒由于需要的反应物较多，光触媒颗粒周围的反应物浓度不能满足，导致光催化反应强度不能进一步提升的情况；也避免了光催化反应较弱的光触媒颗粒由于不能充分地进行光催化反应，周围光催化反应物较多，造成浪费的情况。因此，通过碳量子点颗粒使得光触媒颗粒之间的光生电子“共享”，提升对光生电子和光生空穴的利用率，从而增强光触媒颗粒上光催化反应的强度，提升净化效率。上述碳量子点颗粒为任意一种方法制备的具有上转换特性的碳量子点颗粒，例如：以异佛尔酮二异氰酸酯为单一碳源的微波法、以牛血清蛋白和叶酸为碳源的一步水热法、以凤眼莲为碳源的一步水热法、电化学法等等。本发明中的碳量子点颗粒包括含有掺杂元素的碳量子点颗粒。

玻璃层3倾斜固定于侧壁上，具体地，倾斜的角度可以是任意角度，但需保证玻璃层3设置有光触媒颗粒层5的一侧靠近底盖2，玻璃层3与侧壁之间紧密接触，玻璃层3与侧壁之间没有间隙，二者之间可以是通过粘合剂粘合固定，这样能够形成有效密封，使得玻璃层3两侧不产生气体交换。相比于不倾斜设置，玻璃层3的表面积更大，即可以设置更多的碳量子点颗粒和光触媒颗粒。玻璃层3的厚度可以为毫米或厘米数量级，优选地，玻璃层的厚度为0.1-0.3cm，这样能够为光触媒颗粒层5和碳量子点颗粒层4提供有效的支撑作用，还不会使得部件整体过重。第一光源7设置于活性炭层6和玻璃层3之间的侧壁上，优选地，第一光源7的位置和玻璃层3上最远的两端点位置构成等腰三角形，第一光源7位于等腰三角形的顶点，这样第一光源发出的光沿直线传播后能够正入射在光触媒颗粒层5和碳量子点颗粒层4上，使得光触媒颗粒和碳量子点颗粒被充分地照射到，从而在光触媒颗粒中产生更多的光生电子和光生空穴，提升空气净化效率。第一光源7为紫外可见光源，光触媒颗粒吸收紫外光，碳量子点颗粒吸收可见光，将可见光转化为紫外光，提升光触媒颗粒对光场的利用率，提升空气净化效率。碳量子点颗粒和光触媒颗粒可以通过旋涂或沉积的方法制备。

外框结构1的侧壁上设置有抽气孔，抽气孔设置于玻璃层3和活性炭层6之间，用于外界抽气设备相接，使玻璃层3和活性炭层6之间形成负压，使周围空气由活性炭层6远离底盖2一侧进入。优选地，抽气孔设置于玻璃层3距离活性炭层4较远一端，与玻璃层3较远一端的距离小于1cm，更优选地，抽气孔的方向垂直于玻璃层3所在平面，这样初步净化后的空气在玻璃层3和活性炭层6之间不会直接由抽气孔排出，也就是，由活性炭层6进入的空气的速度方向，与抽气孔抽出空气的速度方向不同，空气会在玻璃层3和活性炭层6之间形成环流；更优选地，底盖2上的贯穿孔的贯穿方向不同，具体地，贯穿孔的方向向玻璃层3靠近活性炭层6一端倾斜，即贯穿孔上端相较于下端更靠近玻璃层3较低一端，且越靠近玻璃层3较低一端，贯穿孔上下两端的距离越远，即倾斜角度越大，倾斜角度最小的贯穿孔的贯穿方向与底盖2所在平面呈45度夹角，由于风阻更大，这样形成空气环流的流速更小，使得空气与光触媒颗粒和碳量子点颗粒相互作用的时间更长，光催化反应更充分，净化效率更高；由于贯穿孔的倾斜角度不同，能够形成不同流速和旋转半径的环流，使得玻璃层3上任意位置都能够与空气环流充分接触，这容易使得每个光触媒颗粒上光催化反应的强度一致，从而避免光触媒上光催化反应强度局部较弱或较强引起的资源利用不充分导致的净化效率较低。因此，本发明过滤部件的空气净化效率较高。

进一步地，光触媒颗粒层5远离碳量子点颗粒层4一侧固定设置有贵金属凸起。贵金属凸起可以通过磁控溅射或电子束沉积的方法制备。贵金属凸起的粒径小于对应光触媒颗粒粒径的三分之二，这样能够保证贵金属凸起的覆盖不会使得空气与光触媒颗粒的接触面积急剧减小。贵金属凸起的材料为金或银，在光场作用下，贵金属凸起上产生局域表面等离激元共振现象，贵金属凸起的表面产生强电场，即贵金属凸起将光场局域在其附近，使得光触媒颗粒与光场的相互作用更强，从而增强光催化反应的强度，提升空气净化效率。另外，由于贵金属凸起并非均匀设置于光触媒颗粒上，贵金属凸起附近的强电场使得光触媒颗粒被极化，极化的光触媒颗粒内部的光生电子更容易分布于光触媒颗粒的表面，从而避免了光触媒颗粒内部光生电子和光生空穴的复合率，从而使得更多产生的光生电子和光生空穴参与光催化反应，即贵金属凸起降低了光生电子和光生空穴的复合率，提升了光触媒颗粒产生的光生电子和光生空穴的利用率。因此，设置贵金属凸起能够进一步提升过滤部件对光场的利用率，进而提升空气净化效率。

更进一步地，在光触媒颗粒层5中掺杂四针状氧化锌晶须。氧化锌是常见的半导体催化剂。四针状氧化锌晶须为氧化锌的微纳米结构，具有四个纳米尺寸的针状体，针状体的长度为10-60μm左右，直径为500nm-10μm左右。这样的结构一方面能够散射光场，使得第一光源7产生的光场更均匀地照射在光触媒颗粒和碳量子点颗粒上，四针状的结构形状不规则，使得原本不被光场照射到的光触媒颗粒和碳量子点颗粒的侧面被光照射到，这增强了光场与光触媒颗粒和碳量子点颗粒之间的接触面积，使得光催化反应充分进行，提高了光场的利用效率，从而提升空气净化效率；另一方面，四针状结构能够将空气吸附在其附近，使得空气与光触媒颗粒和碳量子点颗粒之间的接触更加充分。即四针状氧化锌晶须的设置同时使得光场和空气与光触媒颗粒和碳量子点颗粒的接触更加充分，光催化反应的强度更大，进行地更加充分，从而空气净化效率提升。四针状氧化锌晶须的制备可以参见名称为“采用锌蒸汽直接氧化工艺制备四针状氧化锌晶须”、“四针状氧化锌晶须制备新技术”、“金属锌高温氧化制备四针状氧化锌晶须”、“四针状氧化锌晶须的制备及应用”的文章。

更进一步地，玻璃层3远离活性炭层6一侧的顶壁或侧壁上固定设置有第二光源8。第二光源8为可见光源，第二光源8发出的光照射在玻璃层3远离光触媒颗粒层5一侧，可见光透过玻璃层3照射在碳量子点颗粒层4，被碳量子点颗粒吸收转化为紫外光，紫外光作用于光触媒颗粒产生光生电子和光生空穴，这样能够产生更多的光生电子和光生空穴，提高光催化反应的强度，提高空气净化效率。优选地，第二光源8和第一光源7中心的连线与玻璃层3垂直，这样第二光源8发出的光能够充分照射在碳量子点颗粒层4上，使得光场与碳量子点颗粒层4的相互作用较强，从而提升光催化反应强度，提高空气净化效率。

应用时，过滤部件可以通过抽气孔连接抽气设备直接放置在待使用环境中使用，也可以作为过滤部分固定安装在与空气净化器配合使用，具体地，过滤部件与空气净化器配合使用时，需要在抽气孔处连接抽气设备，抽出的气体最终通过出气孔排出，还需要将过滤部件固定于空气净化器内部，使得待净化空气由底盖2远离活性炭层6一侧流入。使用时，抽气设备与抽气孔靠外一侧固定连接，可以是粘合固定连接，也可以是通过法兰圈等固定连接。使用时，光源、抽气设备均处于工作状态，待净化空气由底盖2上的贯穿孔流入，经过活性炭层6进行初步净化，去除颗粒污染物和部分气体污染物，初步净化后的气体在玻璃层3和活性炭层6之间形成环流，与光触媒颗粒和碳量子点颗粒充分进行光催化反应，最终净化后的空气由抽气孔被抽出。具体地，光催化反应过程中，光子作用在光触媒颗粒和碳量子点颗粒上，光触媒颗粒在紫外光的激发下产生光生电子和光生空穴，用于进行光催化反应；碳量子点颗粒在可见光的照射下，利用上转换特性，将可见光转化为紫外光，使得光触媒颗粒能够利用更多的光场能量进行光催化反应。另外，碳量子点颗粒，还起到了使光触媒颗粒之间的光生电子“共享”的作用，避免了光催化反应强度分布不均匀引起的催化效率下降。因此，本发明过滤部件通过提升光触媒颗粒对光场的吸收和提升对光触媒颗粒产生的光生电子和光生空穴的利用率提升了对光场的利用率，从而提升空气净化效率。进一步地，使用时，抽气设备的抽气速率可以变化，即脉冲式进行抽气，抽气速率较大时能够将四针状氧化锌晶须吸附的空气进行脱附，较小时，氧化锌晶须吸附空气进行净化，这样循环完成吸附脱附的过程，使得对空气的利用率提升，从而进一步提升空气净化效率。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。