一种光触媒及光触媒的制备方法与流程

1.本发明属于光催化剂技术领域，具体地说，涉及一种光触媒及光触媒的制备方法。


背景技术：

2.近年来，节能减排的政策逐步落地实施，能够减少污染、降低能耗的高效光触媒一直是学术界和工业界努力的方向。目前研究最多的光触媒为二氧化钛，但其带隙较大，往往需要紫外光才能实现有效激活，而太阳辐射由大约5％的紫外线、43％的可见光和52％的近红外光组成，导致二氧化钛的太阳光响应性偏低，限制了其在广泛的工业应用中的使用。因此，需要致力于对二氧化钛进行改性以提高其催化效率。
3.通常认为较大的表面积与体积比会提高催化剂的催化性能，因而市面上的商品化二氧化钛往往以纳米颗粒形式市售，以实现具有较大的表面积与体积比的目的。然而，由于纳米颗粒的尺寸小，可能很容易从载体上脱离并被附近经过的用户吸入到人体中。尤其是当位于空气流或液体流附近时，从载体上脱离的纳米颗粒会随空气流或液体流散入环境中，可能对生态环境存在影响。同时，纳米颗粒被吸入人体还可能会引起健康问题。因此，仅仅将二氧化钛或其他可作为光触媒的物质制成纳米粒子，虽然可以在一定程度上提高催化活性，但由于存在上述问题也会使其应用范围受限。
4.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种光触媒及光触媒的制备方法，通过多种n型结晶半导体材料形成异质结，可缩小带隙，提高光触媒对可见光的响应能力，从而提高光触媒在可见光条件下的催化效率。
6.为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
7.一种光触媒，包括复合纤维，所述复合纤维包括n型结晶半导体材料，所述n型结晶半导体材料包括氧化铋、二氧化钛和氧化锌，在复合纤维中形成异质结。
8.在上述方案中，通过不同种类的结晶半导体材料在复合纤维中提供异质结，异质结的形成可促进电子和空穴的移动，从而可缩小带隙，有利于提高光触媒对可见光的响应能力。通过复合纤维中的异质结结构，提高了光致电子/空穴的分离效率，以及光触媒的光催化性能，这是由于矢量电荷从一种半导体到另一种半导体的转移具有适当的热力学带缘位置，可以促进界面电荷转移并提高催化效率。尤其是，上述方案使得光触媒在可见光条件下的催化效率得到了提升，进而拓宽了光触媒在可见光条件下的应用领域。
9.进一步地，所述复合纤维中，氧化铋的质量占比为0.1wt％～0.4wt％，优选为0.1wt％～0.2wt％，更优为0.2wt％；
10.优选地，所述氧化铋、氧化锌和二氧化钛的质量比为1:0.5～2:1～20，优选为1:1:1～10。
11.在上述方案中，三种不同的结晶半导体材料具有不同的热膨胀系数，其中，tio2、
zno和bi2o3的热膨胀系数分别为9x10-6
k-1
、4.75
×
10-6
k-1
和18x10-6
k-1
。本发明的复合纤维通过含有铋、钛和锌三种元素的前体纺丝溶液经静电纺丝后得到，当复合纤维中bi2o3的占比控制在0.1％～0.2％时，复合纤维形态光滑均匀；当bi2o3的占比进一步提高至0.3％～0.4％时，会形成一些分支状纳米纤维。若进一步提高bi2o3的占比，在复合纤维形成的初始阶段由于发生剧烈的热冲击和收缩老化，复合纤维很容易破碎成短棒，导致阻抗下降。
12.试验发现，当bi2o3的占比为0.2％时，复合纤维保持最大的异质结用于电荷传输，因此带隙能量最低，具有最优的催化效率。
13.进一步地，所述二氧化钛的晶型包括锐钛矿相和金红石相；
14.优选地，所述金红石相与锐钛矿相的质量比为1:0.05～20，优选为1:5～20，更优为1:5～10。
15.在上述方案中，tio2/zno/bi2o3(tzb)复合纤维的带隙能量降低可归因于锐钛型tio2、金红石型tio2、zno和bi2o3之间的协同效应。由于这些复合材料传导带之间的协同作用，在tio2的禁带中形成了一些子带，引入了杂质和缺陷，从而降低了带隙能量。
16.tzb复合纤维中，带位对齐有利于电子和空穴的移动，并导致较低的带能隙，不同能量位置导致的大电荷分离也降低了光生电子/空穴对的复合率。因此，本发明包含所述tzb复合纤维的光触媒可以有效地促进空气中的水蒸气或液体中的水分子产生自由基，同时产生氧自由基和羟基自由基。产生的自由基可以与目标化合物(例如空气或液体中的任何污染物)反应，从而将目标化合物降解或转化为无害物质。
17.进一步地，所述复合纤维还包括选自氧化亚铜、氧化铜、碲化镉及其组合的p型结晶半导体材料。
18.在上述方案中，复合纤维包括n型结晶半导体和p型结晶半导体的组合，从而还可以形成p-n异质结，不仅可以通过敏化效应扩大半导体响应波长范围，还可以通过内建的电场效应抑制电荷载流子的复合，从而进一步提高光触媒的光催化性能。
19.进一步地，所述复合纤维具有一维纳米结构；
20.优选地，所述复合纤维选自纳米纤维、截断的纳米纤维、纳米线、纳米棒及其组合；
21.优选地，所述复合纤维为纳米纤维，且具有分散在纳米纤维表面的纳米晶体；
22.更优地，所述纳米纤维的直径为50～1000nm，优选为80～100nm，更优为90nm；所述纳米晶体的直径为5～150nm，优选为10nm。
23.在上述方案中，光触媒用于实现光催化效果时，纳米晶体为目标化合物的粘附提供了相当大的表面体积比，同时促进了光催化过程。所述的纳米晶体中包括n型结晶半导体材料氧化铋、二氧化钛和氧化锌，其允许电荷(如电子和空穴)发生矢量位移。通过纳米晶体的紧密堆积并提供异质结结构，实现了光催化性能的提高。同时，表面粘附纳米晶体的纳米纤维具有更大的光催化反应表面积，并且由于纳米纤维具有较大的长径比，因此降低了将纳米材料吸入体内的风险。
24.进一步地，所述复合纤维还包括聚合物包覆层；
25.优选地，所述聚合物包覆层具有多孔结构，和/或透光性，和/或透气性。
26.在上述方案中，聚合物包覆层用于利用聚合物的柔性增加复合纤维的弹性，从而减少光触媒使用过程中复合纤维发生断裂的情况，提高光触媒的耐久性。聚合物包覆层具有多孔结构且可渗透，能够允许光穿透聚合物包覆层照射至内部的半导体材料表面，以实
现光触媒的光催化效果。聚合物包覆层还需要允许来自环境的气体自由渗透以达到内部，从而可以对环境气体中的污染物进行降解或转化为无害物质。
27.进一步地，还包括基材，所述复合纤维附着于所述基材上；
28.优选地，所述基材为柔性基材；
29.优选地，所述基材具有透光性和/或透气性；
30.优选地，所述基材具有纳米尺寸的网状结构；
31.更优地，所述基材由聚合物纤维、无机纤维或纤维素纤维组成，形成网状结构。
32.在上述方案中，复合纤维具有纳米尺寸，尤其是当其完全由无机物组成时非常脆，容易折断而影响光触媒性能。所述的基材用于牢固地固定复合纤维，既能够避免光触媒中复合纤维的流失，又可以为复合纤维提供支撑，减少复合纤维的折断。
33.采用具有网状结构的基材为复合纤维提供支撑，可以令复合纤维被容纳于网状结构中而实现牢固地固定。网状结构包括多孔结构，使得光线能够穿透基材作用在复合纤维上已进行光催化反应。同时，气体也可以自由地穿过复合纤维和外部环境直接的基材，确保复合纤维发生光催化反应能够有效地降解环境中的污染物质。基材具有一定程度的透光性和透气性，从而实现了在不明显影响光催化性能的情况下更好地保持复合纤维的位置。
34.进一步优选地，所述聚合物纤维包括涤纶，所述涤纶的平均直径优选为90～220nm。
35.涤纶由于其不溶于水且对太阳辐射呈惰性的特质，是一种合适的基材材料。通过采用平均直径为90～220nm的涤纶纳米纤维形成纳米网状结构，能够牢固地捕获和粘附纳米纤维、截断的纳米纤维或纳米棒。当然，涤纶纳米纤维的直径可以根据复合纤维的直径进行调整，以适应实际需要。
36.进一步地，对于复合纤维附着于基材上的光触媒，在靠近光触媒表面区域处复合纤维的堆积密度小于靠近光触媒底部区域处复合纤维的堆积密度；或者，在靠近光触媒表面区域处复合纤维的直径小于靠近光触媒底部区域处复合纤维的直径。
37.在上述方案中，光触媒表面区域可直接接收光照，采用堆积密度更小，或直径更小的复合纤维可以形成更大的孔隙，以便更多的光线可以穿透并作用在底部的复合纤维上。而堆积密度更高，或直径更大的复合纤维集中在光触媒底部，用于反射或捕获光线，进而能够更充分地利用光照能量。
38.一种光触媒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
39.(1)配制包含铋元素、钛元素和锌元素的前体纺丝溶液；
40.(2)采用所述前体纺丝溶液进行静电纺丝，得到电纺纤维；
41.(3)收集所述电纺纤维进行煅烧，得到所述光触媒。
42.在上述方案中，前体纺丝溶液为同时包括铋、钛和锌三种元素的混合溶液，通过一步纺丝结合后续的煅烧处理，就可以得到同时具有三种n型结晶半导体材料氧化铋、二氧化钛和氧化锌的tzb复合纤维。不同于现有技术中需要逐层形成不同类型半导体材料的制备方式，上述制备方法能够显著提高制备效率，缩短工艺周期。
43.进一步地，步骤(1)中，所述前体纺丝溶液中，含铋元素的化合物换算为氧化铋时，占前体纺丝溶液总质量的0.1％～1％，含锌元素的化合物换算为氧化锌时，占前体纺丝溶液总质量的0.1％～1％，含钛元素的化合物换算为二氧化钛时，占前体纺丝溶液总质量的
1％～10％；
44.优选地，所述前体纺丝溶液中，含铋元素的化合物换算为氧化铋时，占前体纺丝溶液总质量的0.2％～0.8％，含锌元素的化合物换算为氧化锌时，占前体纺丝溶液总质量的0.1％～0.4％，含钛元素的化合物换算为二氧化钛时，占前体纺丝溶液总质量的2％～8％；
45.优选地，所述步骤(1)具体包括：将体积浓度为1～5％的四异丙醇钛的乙酸溶液和同等质量的质量浓度为2～6％的聚乙烯吡咯烷酮(pvp)的乙醇溶液混合，将混合溶液进行超声处理，再根据设定的铋、锌、钛元素比例，加入占混合溶液总质量0.05％～0.8％的二水醋酸锌，以及占混合溶液总质量0.2％～0.8％的五水硝酸铋，继续超声处理，得到可用于溶胶-凝胶纺丝的前体纺丝溶液；
46.更优地，步骤(1)中，将体积浓度为3％的四异丙醇钛的乙酸溶液和同等质量的质量浓度为4％的聚乙烯吡咯烷酮(pvp)的乙醇溶液进行混合。
47.在上述方案中，通过控制前体纺丝溶液中各个元素含钛、锌、铋元素化合物的量调节各元素的浓度，可实现对复合纤维中bi2o3含量的调节，从而使制得的光触媒具有更高的光催化活性。
48.进一步地，步骤(1)中得到的充分混合均匀的前体纺丝溶液送入无喷嘴静电纺丝装置中进行静电纺丝。
49.具体地，旋转电极将溶液薄膜从储液池中输送出来。在电场作用下，由于液体表面的表面张力被带正电的旋转电极和接地收集器之间的电场力所取代，因此产生不稳定射流。纤维喷射到空气中，沉积在纤维上的正电荷相互排斥，随着蒸发，纤维从旋转电极自由飞行到接地收集器的过程中，纤维的直径不断减小。
50.进一步地，步骤(3)中，煅烧过程以0.5～2℃/min的升温速率升温至600～700℃；
51.优选地，所述升温速率为1℃/min，升温的目标温度为650℃。
52.具体地，收集的电纺纤维在炉中进行煅烧，温度以1℃/min缓慢升至650℃。煅烧过程中，在低速升温的可控蒸发条件下，复合纤维中残留的有机化合物(例如乙醇、pvp)和残留水分被缓慢除去，同时将电纺纤维中含有铋、锌、钛的化合物煅烧为相应的氧化物，最终得到所述光触媒。
53.进一步地，所述复合纤维还包括聚合物包覆层。
54.为制备包括聚合物包覆层的复合纤维，所述制备方法中，将步骤(1)得到的前体纺丝溶液与聚合物溶液混合，得到复合溶液；步骤(2)中采用所述复合溶液进行复合纺丝，得到的电纺纤维中，在聚合物包覆层内部形成至少包含铋、钛和锌三种元素的无机纤维；步骤(3)中对收集的电纺纤维进行煅烧，使聚合物包覆层具有透光性。
55.另一种制备包括聚合物包覆层的复合纤维的方法为，步骤(3)中电纺纤维煅烧后得到复合纤维，在步骤(3)之后还包括步骤(4)：对步骤(3)中得到的复合纤维进行涂覆以施加聚合物涂层，然后进行煅烧使聚合物涂层形成具有多孔结构的聚合物包覆层；
56.优选地，在复合纤维上涂覆聚合物涂层的方式包括物理涂覆方式或化学涂覆方式；所述化学涂覆方式可以为化学蒸汽沉积法。
57.进一步地，步骤(3)之后还包括步骤(5)：将步骤(3)中得到的复合纤维与基材结合，得到在基材上附着复合纤维的光触媒。
58.进一步地，步骤(5)具体包括：将复合纤维与溶剂混合制成悬浮液，将所述悬浮液
施加至基材上，实现复合纤维与基材的结合；
59.优选地，将步骤(3)所得的复合纤维进行超声处理，形成截断的复合纤维，其中，所述截断的复合纤维包括纳米棒和/或截断的纳米纤维；将所述截断的复合纤维与乙醇充分混合制成悬浮液，通过喷涂、浸涂或深浇注方式将悬浮液中的截断的复合纤维引入基材中；
60.更优地，通过15～60min的超声处理加工复合纤维处理成小段。
61.进一步地，喷涂方式具体包括：将制得的悬浮液转移至喷雾装置的储存器中，利用喷雾装置将含有截断的复合纤维的悬浮液均匀地喷洒在基材上。
62.浸涂方式具体包括：将基材以恒定速度浸入含有截断的复合纤维的悬浮液中并停留一段时间，使截断的复合纤维附着在基材的网状结构上；然后拉起基材，截断的复合纤维被捕获/沉积在基材，多余的溶剂将从表面排出；对残留的溶剂进行蒸发处理，从而在基材中形成薄层纳米纤维垫。
63.在上述方案中，当将基材浸入悬浮液中时，应重点注意避免基材中进入空气。如果空气进入基材内部，所形成的气泡会堵塞基材的网状结构上的孔隙，降低截断的复合纤维在基材中的截留和粘附率，还可能导致截断的复合纤维在基材中的分布不均匀。以恒定的速度将基材浸入含有截断的复合纤维的悬浮液中，可以顺利将空气排出基材，从而防止上述问题。
64.深浇注方式具体包括：采用滴管将悬浮液滴到基材上，使悬浮液进入基材网状结构的孔隙中，然后干燥基材以除去溶剂；或者，对于具有大面积的基材，可将滴管替换为自动化的多滴管装置，在基材的较大面积区域内同时进行悬浮液的滴加，以保证复合纤维在基材上分布的均匀性；
65.优选地，重复上述步骤多次，以提高复合纤维在基材中的高堆积密度。
66.在上述方案中，将滴加悬浮液并干燥基材的步骤可重复执行多次，通过控制重复执行的次数可以实现对基材上复合纤维负载量的调节，并且可以由用户根据个人实践容易地控制。
67.采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
68.1、本发明的光触媒具有至少由三种n型结晶半导体材料组成的复合纤维，在复合纤维中形成异质结，可通过缩小带隙的方式使得其可以被更长波长的光激发，进而提高了光触媒对可见光的响应能力，达到提高光触媒在可见光条件下催化效率的目的。所述的光触媒能够在自然光照条件下应用，实现对环境中污染物质更高效的降解。同时，由于实现光催化作用的半导体材料存在于具有一维纳米结构的复合纤维中，具有较大的长径比，不会存在纳米粒子脱离造成二次污染的潜在风险，减小了被人体吸入的危害。
69.2、本发明中在前体纺丝溶液中同时含有铋、钛和锌三种元素，直接进行静电纺丝及后续煅烧处理后，即可得到包含氧化铋、二氧化钛和氧化锌的复合纤维，而无需逐层制备各种半导体材料，制备方法更加简单，效率更高。通过控制前体纺丝溶液中各元素的含量，即可实现对复合纤维中不同半导体含量的调节，能够得到光催化活性更高的光触媒。
70.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
71.附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
72.图1是本发明tzb-p1-p2复合纤维中电子和空穴的运动示意图；
73.图2是本发明tzb复合纤维的扫描电镜(sem)图；
74.图3是本发明tzb复合纤维，以及tz复合纤维、tb复合纤维和商品化tio2纳米粒子(p25)在200～800nm之间的吸收光谱图；
75.图4本发明实施例7中光触媒的第一种设置方式示意图(与流向相切)；
76.图5是本发明实施例7中光触媒的第二种设置方式示意图(与流向垂直)；
77.图6是本发明实施例7中光触媒的第三种设置方式示意图(与流向呈一定夹角)；
78.图7是本发明实施例8中包含光触媒的净化装置的结构示意图；
79.图8是本发明实施例9中包含光触媒的净化装置的结构示意图；
80.图9是本发明实施例10中褶皱结构的光触媒的示意图。
81.图中：10、壳体；11、透明窗口；20、过滤器；30、光触媒；31、第一光触媒；32、第二光触媒；33、第三光触媒；34、褶皱光触媒。
82.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
83.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
84.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
85.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
86.本发明的实施例提供一种光触媒，所述光触媒包括复合纤维。其中，所述复合纤维包括n型结晶半导体材料，所述n型结晶半导体材料包括氧化铋(bi2o3)、二氧化钛(tio2)和氧化锌(zno)，在复合纤维中形成异质结。通过不同种类的结晶半导体材料在复合纤维中提供异质结，异质结的形成可促进电子和空穴的移动，从而可缩小带隙，有利于提高光触媒对可见光的响应能力。
87.在本发明中，复合纤维包括tio2、zno和bi2o3，这三种半导体提供了许多异质结，这些异质结促进了电子和空穴的移动，从而缩小了带隙。可替代地，还可以采用其他的半导体组合制成复合纤维，例如tio2/zno(tz)复合纤维、tio2/bi2o3(tb)复合纤维或zno/bi2o3复合纤维，也可以使用可以减小带隙的其他可能的半导体。
88.作为本发明的一种优选实施方式，所述的光触媒包含许多复合纤维。如图2所示，所述复合纤维为纳米纤维，且具有分散在纳米纤维表面上的纳米晶体。纳米晶体为目标化合物的粘附提供了相当大的表面体积比并促进了光催化过程。并且，这些纳米晶体是具有合适能带位置排列的半导体，即bi2o3、tio2和zno，其允许电子和空穴等电荷发生矢量位移。
89.这些纳米结晶半导体紧密堆积并在复合纤维中提供异质结结构，可以提高光致电子/空穴的分离效率和光催化性能。从一种半导体到另一种半导体的矢量电荷转移具有适当的热力学带缘位置，可以促进界面电荷转移并提高光触媒的催化效率。可以理解的是，其他具有合适能带位置的半导体材料也可以应用在本发明中。
90.本发明所述的复合纤维中，表面分散纳米晶体的纳米纤维结构提高了纳米纤维的表面积与体积比，从而为光触媒的光催化反应提供大的表面积。
91.作为本发明进一步优选的实施方式，纳米晶体具有5nm～150nm的直径，更优为10nm左右。大的表面积允许纳米晶体在光照期间作为光子的有效接收器，提高对光能的吸收效率，并且纳米纤维内部具有不同半导体材料形成的异质结，降低了跃迁能量，促进了电子和空穴的移动，缩小了带隙，因此允许电荷在纳米纤维内部的空穴中高效传输，因此纳米纤维可作为传输电荷的高速路径。此外，与纳米粒子相比，具有纳米晶体的纳米纤维具有更大的光催化反应表面积，可显著提高光触媒的光催化效率。另一方面，由于纳米纤维具有较大的长径比，因此还降低了光触媒中的纳米材料被吸入体内的风险。
92.进一步优选地，所述纳米纤维的直径约为50nm～1000nm，并可延伸至数米长。更优选地，复合纳米纤维具有80～100nm的直径。作为本发明的优选实施例，所述纳米纤维11具有约90nm的直径。
93.本发明实施例中的光触媒是基于溶胶-凝胶辅助静电纺丝方法制备得到的。具体地，配制包含钛、锌、铋三种元素的前体纺丝溶液，超声波充分混合处理获得均匀的溶液后，将其送入无喷嘴静电纺丝装置。旋转电极将溶液薄膜从储液池中输送出来，在电场作用下，由于液体表面的表面张力被带正电的旋转电极和接地收集器之间的电场力所取代，因此产生不稳定射流。纤维喷射到空气中，沉积在纤维上的正电荷相互排斥，随着蒸发，纤维从旋转电极自由飞行到地面收集器的过程中，纤维的直径不断减小。收集的电纺纤维随后在炉中煅烧，温度以1℃/min缓慢升至650℃。在可控蒸发下，纤维中残留的有机化合物和残留水分被缓慢除去，最终得到所述光触媒。上述复合纤维中，填充有tio2、zno和bi2o3的纳米晶体。
94.类似的方法也可以用于制造具有类似复合纤维的其他光触媒，如tz复合纤维和tb复合纤维等，只需要调整前体纺丝溶液的成分即可。
95.对本发明光触媒中的tio2/zno/bi2o3(tzb)复合纤维通过x射线衍射(xrd)在20
°
～80
°
(2θ)范围内进行物相分析，可以得到上述tzb复合纤维中含有锐钛矿型二氧化钛、金红石型二氧化钛，以及氧化锌和氧化铋。
96.如图3所示，通过u/v-vis漫反射光谱(drs)在200～800nm范围内的反射光谱分别测量本发明中的tzb复合纤维，以及tz复合纤维、tb复合纤维和商品化tio2纳米粒子(p25)在200～800nm之间的吸收光谱，结果显示，tzb复合纤维的吸收边缘已经转移到可见光区，且tzb复合纤维较之商品化tio2纳米粒子(p25)其紫外范围内的吸光度显著提高，并且还可吸收部分可见光范围。使用kubelka-munk方程可确定tzb复合纤维(其中，bi2o3/zno/tio2的
质量比为1:1:10)和tio2纳米粒子(p25)的带隙分别为2.51ev和3.12ev。
97.与tio2纳米粒子相比，tzb复合纤维的带隙能量显著降低，这可归因于锐钛型tio2、金红石型tio2、zno和bi2o3之间的协同效应。具体地，由于这些半导体材料的传导带之间的协同作用，在tio2的禁带中形成了一些子带，引入了杂质和缺陷，从而降低了带隙能量。
98.以下表1中列出tzb复合纤维的能量值，带位对齐有利于电子和空穴的移动，并导致较低的带隙能量。不同能量位置导致的大电荷分离也降低了光生电子/空穴对的复合率。进而，本发明中包含tzb复合纤维的光触媒具有很好的光催化活性，可以有效地促进空气中的水蒸气或液体中的水分子产生自由基，同时产生氧自由基和羟基自由基。
99.表1tzb复合纤维的真空能量(ev)
100.半导体bi2o3锐钛型tio2金红石型tio2zno导带-4.83-4.31-4.21-4.19价带-7.63-7.31-7.41-7.39
101.本发明的光触媒能够通过光催化作用去除流动气体或液体中的污染物，所述的污染物包括化学污染物，可以是任何在被引入环境时具有不良影响的物质，所述的物质可能对动物和植物造成不利的健康影响。所述的化学污染物可以是例如氮氧化物、挥发性有机化合物污染物和有机染料。
102.具体地，在光催化过程中，来自光源的光子被光触媒表面吸收，从而激发电子，随后在材料内产生自由基。产生的自由基可以与目标化合物(例如空气或液体中的任何污染物)反应，从而将化合物降解或转化为无害物质。实际应用中，上述所述的光源可以选自紫外光、可见光或其组合。
103.经测试，本发明中的光触媒，在太阳光照射下对水中的rodamine b(rhb)、空气中的氮氧化物(no)，以及空气中的挥发性有机化合物污染物(voc)均具有显著的光催化活性。与具有相似比表面积的商品化tio2纳米粒子(粒径约100nm)相比，tzb复合纤维制成的光触媒对no和voc的光催化降解效果具有显著提高。
104.本发明的进一步优选实施方式中，复合纤维可以包括n型和p型结晶半导体材料的组合。由于p-n异质结型光触媒不仅可以通过敏化效应扩大半导体响应波长范围，还可以通过内建的电场效应抑制电荷载流子的复合，进而可以进一步提高具有所述复合纤维的光触媒的光催化性能。
105.具体地，所述的p型结晶半导体材料可以选自氧化亚铜(cu2o)、氧化铜(cuo)、碲化镉(cdte)及其组合。例如，将n型结晶半导体材料tio2、zno和bi2o3与p型结晶半导体材料cu2o(带隙为2.0ev)、cuo(带隙为1.2ev)和cdte(带隙为1.4ev)等一起使用，从而形成应用于本发明光触媒中的复合纤维。
106.如图1所示，可以使用与zno相比具有更高能级的第一p型半导体材料p1，它可以触发电子转移到zno，再由zno到tio2，再从tio2到bi2o3。反之亦然，空穴很容易从n型半导体材料zno转移到第一p型半导体材料p1，因此可引发一系列空穴从bi2o3转移到tio2，从tio2到zno，以及从zno到p1的跃迁。
107.进一步地，还可以选用能级高于第一p型半导体材料p1的第二p型半导体材料p2加入复合纤维中，p2具有适当的能级，从而可实现电子与空穴在p1和p2之间的转移，进而对具有所述复合纤维的光触媒，其光催化性能可以得到进一步提高。
108.根据计算，tz复合纤维、tb复合纤维和本发明实施例所述光触媒中的tzb复合纤维的带隙能量分别确定为2.96ev、2.62ev和2.51ev。相比于商品化tio2纳米粒子的带隙能量3.12ev，由于能带位置对齐产生的协同效应，tz复合纤维和tb复合纤维的带隙能量呈现出一定程度的降低。然而，由于tzb复合纤维包含三种不同的n型结晶半导体材料，进而具有最多的异质结，利用纳米晶体之间的异质结可以为有效的电荷传输建立一条高速通道，因此tzb复合纤维的带隙能量最低。
109.作为本发明的进一步优选实施方式，所述光触媒中的复合纤维还包括用于增加复合纤维弹性的聚合物包覆层。由于tio2、zno和bi2o3均为无机材料，聚合物包覆层的加入可有效避免纳米结构的复合纤维发生断裂，进而提高光触媒的耐久性。
110.优选地，所述的聚合物包覆层是多孔且可渗透的，以允许光穿透聚合物包覆层并与其中的半导体材料相互作用。优选地，聚合物包覆层还允许来自环境的气体自由渗透过聚合物包覆层到达内部的半导体材料，反之亦然。
111.具有上述包括聚合物包覆层的复合纤维的光触媒，一种制备方法为：采用不同粘度的聚合物溶液与前述的前体纺丝溶液复合后进行静电纺丝，得到在聚合物包覆层内部形成无机纤维(至少包含铋、钛和锌三种元素)的电纺纤维，最终通过煅烧使聚合物包覆层具有透光性。
112.另一种制备方法为：通过化学或物理过程(例如化学蒸汽沉积)直接涂覆制成的tzb复合纤维，然后进行后煅烧以使聚合物涂层形成具有多孔结构的聚合物包覆层。
113.作为本发明的另一种优选实施方式，所述光触媒还包括用于牢固地固定复合纤维的基材，所述复合纤维附着于所述基材上，一方面可防止光触媒使用过程中复合纤维的流失，另一方面可以为复合纤维提供支撑，减少复合纤维的折断。
114.为了在不明显影响光催化性能的情况下更好地保持复合纤维的位置，可以采用具有网状结构的基材来为复合纤维提供支撑，可以令复合纤维被容纳于网状结构中而实现牢固地固定。所述基材至少需要为光催化活性提供一定程度的透光性和透气性。因此，优选地，所述网状结构包括多孔结构，使得其允许光穿透基材并与复合纤维相互作用以进行光催化反应。此外，气体可以自由地穿过复合纤维和环境之间的基材。
115.基材的材料、复合纤维的直径、基材的总厚度h和复合纤维的基重(g/m2,gsm)可以按需进行调整。复合纤维的重量分布不需要在整个基材的厚度方向上保持均匀，例如可以将其排列成表面上的复合纤维较少(如松散堆积或较低堆积密度)，从而允许形成大孔以便更多光穿透，更多的复合纤维在底部(如密集或更高的填充密度)用于反射或捕获光。这种效果也可以通过靠近表面的复合纤维具有较小直径，靠近底部的复合纤维具有较大直径来获得。
116.本发明的一种具体实施方式中，基材可以由聚合物、无机纤维或纤维素组成。优选地，使用诸如涤纶纤维的聚合物纤维来形成基材的网状结构。涤纶由于其不溶于水且对太阳辐射呈惰性的特质，是一种合适的基材材料。
117.进一步地，所述基材由平均纤维直径为90～220nm的涤纶纳米纤维网络构成。这种具有纳米结构的网络能够牢固地捕获和粘附具有一维纳米结构的复合纤维，如纳米纤维、截断的纳米纤维或纳米棒。可以理解的是，涤纶纳米纤维的直径可以根据复合纤维的直径进行调整，以适应实际需要。
118.为将本发明中的tzb复合纤维与基材进行结合，采用如下的制备方法。
119.在制得tzb复合纤维后，通过超声处理15～60min将tzb复合纤维处理成小段，得到截断的纳米纤维或纳米棒。然后将截断的纳米纤维或纳米棒悬浮在分散液中并充分混合。所述分散液优选采用乙醇，这是因为乙醇具有良好的润湿特性，可以很容易地穿透涤纶的孔隙。可以理解的是，也可以采用具有良好润湿特性的其他溶液作为分散液。混合后，截断的纳米纤维或纳米棒可以通过喷涂、浸涂、深浇注或任何常见的物理过程引入基材中。
120.本发明中，至少可以采用以下三种方案来制备具有基材的光触媒，其中，基材上具有均匀分布、高度堆积的截断纳米纤维。
121.方案一，采用喷涂方式引入复合纤维。具体地，制备分散有截断的复合纤维的悬浮液，将悬浮液转移到喷雾装置的储存器中，所述喷雾装置与加压氮气相连，然后并将所述悬浮液均匀地喷洒在涤纶基材上。
122.方案二，采用浸涂方式引入复合纤维。具体地，将涤纶基材以恒定速度浸入含有截断的复合纤维的悬浮液中，令基材在悬浮液中停留一段时间，使截断的复合纤维粘附在基材的网状结构上；然后拉起涤纶基材，截断的复合纤维即被捕获/沉积在基材中，多余的液体将从表面排出；最后通过蒸发残留的溶剂，在基材中形成一层薄薄的纳米纤维垫。
123.在上述方案中，当将基材浸入悬浮液中时，应重点注意避免基材中进入空气。如果空气进入基材内部，所形成的气泡会堵塞基材的孔隙，降低截断复合纤维在基材中的截留和粘附率，还会导致截断的复合纤维在基材中的分布不均匀。因此，基材应以恒定的速度小心地浸入所述悬浮液中，以在进入过程中将空气排出基材。
124.方案三，采用深浇注方式引入复合纤维。具体地，用滴管将悬浮液滴到基材上，使悬浮液进入基材的孔隙中，然后干燥基材。或者，采用自动化的多滴管装置应用于具有大面积的基材，以保证复合纤维在基材整体面积上的分布均匀性。优选地，可以重复上述步骤以确保复合纤维在基材中的高堆积密度。
125.在上述方案中，复合纤维在基材上的负载量是可以按需调整，且通过上述方式，负载量可以通过滴加悬浮液的次数进行调节，并且可以由用户根据个人实践容易地控制。
126.光触媒中包括可固定复合纤维的基材，从而所述光触媒更容易应用在各种设备上，以发挥其光催化作用。特别是，具有基材的光触媒可以应用于柔性表面，例如用于在呼吸时去除污染物的面罩，或用于在有害气体与身体接触之前去除有害气体的可穿戴服装。同时，基材上复合纤维的负载量可控，例如，通过简单地重复喷涂、浸涂或滴加悬浮液的制备过程，或调整悬浮液中复合纤维的浓度，即可调整最终复合纤维的负载量。因此，基材的使用使得光触媒的应用范围更广，而且不会显著影响光触媒中复合纤维的光催化性能。
127.实施例1
128.本实施例按照如下步骤制备光触媒tzb复合纤维，其中tzb复合纤维为bi2o3的含量为0.1％的纳米纤维：
129.(1)将体积浓度为3％的四异丙醇钛的乙酸溶液和等质量的质量浓度为4％的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液混合，将混合溶液超声处理30min，再加入占混合溶液总质量0.1％的二水醋酸锌，以及占混合溶液总质量0.2％的五水硝酸铋，超声波充分混合处理6h，得到混合均匀的前体纺丝溶液；
130.(2)将步骤(1)中得到的前体纺丝溶液送入无喷嘴静电纺丝装置中进行静电纺丝，
得到电纺纤维；
131.(3)收集步骤(2)所得的电纺纤维，在炉中进行煅烧，煅烧过程温度以1.5℃/min缓慢升至600℃，在可控蒸发下，复合纤维中残留的有机化合物(例如乙醇、pvp)和残留水分被缓慢除去，最终得到光触媒tzb复合纤维。
132.本实施例中，所制得的tzb复合纤维为平均直径约85nm的纳米纤维。
133.实施例2
134.本实施例按照如下步骤制备光触媒tzb复合纤维，其中tzb复合纤维为bi2o3的含量为0.2％的纳米纤维：
135.(1)将体积浓度为3％的四异丙醇钛的乙酸溶液和等质量的质量浓度为4％的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液混合，将混合溶液超声处理30min，再加入占混合溶液总质量0.2％的二水醋酸锌，以及占混合溶液总质量0.4％的五水硝酸铋，超声波充分混合处理6h，得到混合均匀的前体纺丝溶液；
136.(2)将步骤(1)中得到的前体纺丝溶液送入无喷嘴静电纺丝装置中进行静电纺丝，得到电纺纤维；
137.(3)收集步骤(2)所得的电纺纤维，在炉中进行煅烧，煅烧过程温度以1℃/min缓慢升至650℃，在可控蒸发下，复合纤维中残留的有机化合物(例如乙醇、pvp)和残留水分被缓慢除去，最终得到光触媒tzb复合纤维。
138.本实施例中，所制得的tzb复合纤维为平均直径约90nm的纳米纤维。
139.实施例3
140.本实施例按照如下步骤制备光触媒tzb复合纤维，其中tzb复合纤维为bi2o3的含量为0.3％的纳米纤维：
141.(1)将体积浓度为3％的四异丙醇钛的乙酸溶液和等质量的质量浓度为4％的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液混合，将混合溶液超声处理30min，再加入占混合溶液总质量0.3％的二水醋酸锌，以及占混合溶液总质量0.6％的五水硝酸铋，超声波充分混合处理6h，得到混合均匀的前体纺丝溶液；
142.(2)将步骤(1)中得到的前体纺丝溶液送入无喷嘴静电纺丝装置中进行静电纺丝，得到电纺纤维；
143.(3)收集步骤(2)所得的电纺纤维，在炉中进行煅烧，煅烧过程温度以0.5℃/min缓慢升至650℃，在可控蒸发下，复合纤维中残留的有机化合物(例如乙醇、pvp)和残留水分被缓慢除去，最终得到光触媒tzb复合纤维。
144.本实施例中，所制得的tzb复合纤维为平均直径约90nm的纳米纤维。
145.实施例4
146.本实施例按照如下步骤制备光触媒tzb复合纤维，其中tzb复合纤维为bi2o3的含量为0.4％的纳米纤维：
147.(1)将体积浓度为3％的四异丙醇钛的乙酸溶液和等质量的质量浓度为4％的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液混合，将混合溶液超声处理30min，再加入占混合溶液总质量0.4％的二水醋酸锌，以及占混合溶液总质量0.8％的五水硝酸铋，超声波充分混合处理6h，得到混合均匀的前体纺丝溶液；
148.(2)将步骤(1)中得到的前体纺丝溶液送入无喷嘴静电纺丝装置中进行静电纺丝，
得到电纺纤维；
149.(3)收集步骤(2)所得的电纺纤维，在炉中进行煅烧，煅烧过程温度以1℃/min缓慢升至700℃，在可控蒸发下，复合纤维中残留的有机化合物(例如乙醇、pvp)和残留水分被缓慢除去，最终得到光触媒tzb复合纤维。
150.本实施例中，所制得的tzb复合纤维为平均直径约95nm的纳米纤维。
151.实施例5
152.本实施例按照如下步骤制备光触媒tzb复合纤维，其中tzb复合纤维为bi2o3的含量为0.5％的纳米棒：
153.(1)将体积浓度为3％的四异丙醇钛的乙酸溶液和等质量的质量浓度为4％的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液混合，将混合溶液超声处理30min，再加入占混合溶液总质量0.5％的二水醋酸锌，以及占混合溶液总质量1％的五水硝酸铋，超声波充分混合处理6h，得到混合均匀的前体纺丝溶液；
154.(2)将步骤(1)中得到的前体纺丝溶液送入无喷嘴静电纺丝装置中进行静电纺丝，得到电纺纤维；
155.(3)收集步骤(2)所得的电纺纤维，在炉中进行煅烧，煅烧过程温度以1℃/min缓慢升至650℃，在可控蒸发下，复合纤维中残留的有机化合物(例如乙醇、pvp)和残留水分被缓慢除去，最终得到光触媒tzb复合纤维。
156.本实施例中，所制得的tzb复合纤维为平均直径约100nm的长度不等的纳米棒。这是由于bi2o3的含量高，而三种半导体材料的热膨胀系数不同，在煅烧过程的初期阶段发生剧烈的热冲击和收缩老化，复合纳米纤维破碎成了短棒。
157.实施例6
158.本实施例中，取上述实施例2所制得的tzb纳米纤维负载于基材上，制成光触媒，所述基材选用由平均纤维直径为90nm-220nm的pet纳米纤维网络构成的无纺布基材。具体通过以下步骤实现：
159.(1)取上述实施例2所制得的tzb纳米纤维，超声处理约1小时，将其处理成截断的复合纤维，然后将所述截断的复合纤维悬浮在乙醇中并充分混合，制得悬浮液；
160.(2)将pet基材以恒定速度浸入步骤(1)得到的悬浮液中，令基材在悬浮液中停留一段时间，使截断的复合纤维粘附在基材网络上，浸入时速度需慢速且恒定，避免空气进入基材，形成空隙导致负载量低或不均匀；
161.(3)拉起pet基材，截断的复合纤维被捕获/沉积在基材中，多余的溶剂从表面排出；
162.(4)置于烘箱中，75℃下烘干1h后，再升温至100℃处理0.5h，蒸发溶剂，在基材中形成一层薄薄的纳米纤维垫，完成负载。
163.对比例1
164.本对比例按照如下步骤制备光触媒tz复合纤维：
165.(1)将体积浓度为3％的四异丙醇钛的乙酸溶液和等质量的质量浓度为4％的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液混合，将混合溶液超声处理30min，再加入占混合溶液总质量0.1％的二水醋酸锌，超声波充分混合处理6h，得到混合均匀的前体纺丝溶液；
166.(2)将步骤(1)中得到的前体纺丝溶液送入无喷嘴静电纺丝装置中进行静电纺丝，
得到电纺纤维；
167.(3)收集步骤(2)所得的电纺纤维，在炉中进行煅烧，煅烧过程温度以1℃/min缓慢升至650℃，在可控蒸发下，复合纤维中残留的有机化合物(例如乙醇、pvp)和残留水分被缓慢除去，最终得到光触媒tz复合纤维。
168.对比例2
169.本对比例按照如下步骤制备光触媒tb复合纤维：
170.(1)将体积浓度为3％的四异丙醇钛的乙酸溶液和等质量的质量浓度为4％的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液混合，将混合溶液超声处理30min，再加入占混合溶液总质量0.4％的五水硝酸铋，超声波充分混合处理6h，得到混合均匀的前体纺丝溶液；
171.(2)将步骤(1)中得到的前体纺丝溶液送入无喷嘴静电纺丝装置中进行静电纺丝，得到电纺纤维；
172.(3)收集步骤(2)所得的电纺纤维，在炉中进行煅烧，煅烧过程温度以1℃/min缓慢升至650℃，在可控蒸发下，复合纤维中残留的有机化合物(例如乙醇、pvp)和残留水分被缓慢除去，最终得到具有tb复合纤维的光触媒。
173.对比例3
174.本对比例为商品化tio2纳米粒子，来自：德国赢创，德固赛钛白粉aeroxide p25(p25)。
175.试验例1
176.本试验例对比了实施例1-4以及对比例1-3作为光触媒的光催化性能。具体地，在30min的光照时间下，分别测试了不同的光触媒对no的降解率，结果如以下表2所示。
177.表2不同光触媒对no的降解率对比
[0178] 主要成分降解率(％)实施例1tzb复合纤维36实施例2tzb复合纤维67实施例3tzb复合纤维19实施例4tzb复合纤维17对比例1tz复合纤维35对比例2tb复合纤维45对比例3商品化tio2纳米粒子(p25)5
[0179]
由以上测试结果可以看出，复合纤维相较于tio2纳米粒子，相同光照条件下对no的降解率显著提高，这主要归因于复合纤维内部的异质结所导致的较低带隙能量。而本发明的tzb复合纤维与tz复合纤维或tb复合纤维相比，对no的降解率更高，可见其在将no等污染物转化为无害物质方面的性能更加优异，说明其具有更优异的光催化性能。
[0180]
试验例2
[0181]
本试验例对比了tzb复合纤维中bi2o3含量对其作为光触媒时光催化性能的影响，光触媒的制备方法与实施例2中相同，仅改变步骤(1)中五水硝酸铋的加入量，以制备tzb复合纤维中bi2o3含量不同的光触媒。在30min的光照时间下，分别测试了所制备的不同光触媒，以及商品化tio2纳米粒子(p25)对no的降解率，结果如以下表3所示。
[0182]
表3tzb复合纤维中bi2o3含量的影响
[0183][0184]
由以上试验结果可以看出，本发明的tzb复合纤维作为光触媒相比于tio2纳米粒子，对no的降解率具有明显提升。同时，当bi2o3含量由0.1％增加至0.2％时，对no的降解率上升，再进一步地增加bi2o3含量，对no的降解率反而下降。当控制tzb复合纤维中bi2o3的含量为0.2％时，对no的降解率最好。这是由于当bi2o3的含量为0.2％时，tzb复合纤维中保持最大的异质结用于电荷传输，此时带隙能量最低；当bi2o3的含量超过0.2％时，纳米纤维因为形成了一些分枝，导致阻抗下降，电荷传输效率减弱。
[0185]
试验例3
[0186]
本试验例对比了实施例2所得tzb复合纤维与对比例3中的商品化tio2纳米粒子(p25)在全光谱照明下的光催化效果。
[0187]
具体地，选择邻二甲苯作为具有代表性的挥发性有机化合物(vocs)污染物，分别取实施例2和对比例3中的光触媒50mg，在全光谱照明条件下经过10min后，对邻二甲苯的去除率进行了检测。
[0188]
检测结果表明，商品化tio2纳米粒子对邻二甲苯的去除率非常低，仅为5.25％，而实施例2中的tzb复合纤维对邻二甲苯的去除率高达100％。
[0189]
试验例4
[0190]
本试验例对比了光触媒中的基材对其光催化性能的影响。具体地，取实施例5中制备的tzb纳米棒30mg，实施例2中制备的tzb纳米纤维30mg，以及实施例6中制备的光触媒(基材上负载30mg截断的tzb纳米纤维)，在30min光照下，分别测试了对no的去除率，结果如以下表4所示。
[0191]
表4基材对no降解率的对比
[0192] 主要成分降解率(％)实施例2单独的tzb纳米纤维67实施例5单独的tzb纳米棒15实施例6负载tzb纳米纤维的基材70
[0193]
由以上试验结果可以看出，无基材的tzb纳米棒单独作为光触媒相比无基材的tzb纳米纤维作为光触媒，no去除力偏低，这主要是由于与tzb纳米纤维相比，tzb纳米棒表面形态不光滑，形成了一些分枝，导致阻抗下降，电荷传输效率减弱。
[0194]
而对比实施例2和6，负载于基材上的tzb纳米纤维相比于单独的tzb纳米纤维，可以发挥基本相同的光催化活性。以上结果证实了基材的使用不会明显影响基材上所负载的复合纤维的光催化性能。如此，可以将本发明中的复合纤维负载于基材上制成光触媒，该光触媒可以根据基材的尺寸制成长达数米的片材，进而可以满足不同的应用场景。同时，实施
例6所得光触媒对no的降解率稍高于实施例2，这是由于实施例6中对tzb纳米纤维进行超声处理后，tzb纳米纤维被截断，提高了其表面积与体积比，进而光催化活性得到了一定程度的提高。
[0195]
实施例7
[0196]
本实施例提供一种具有上述实施例所述光触媒的净化装置。具体地，将所述光触媒安装在所述净化装置内部，可用于净化空气通道中的空气，或去除流经管道的液体中的污染物。
[0197]
如图4至图6所示，本实施例的光触媒30被放置于净化装置中供污染气体或液体通过的流道中，并接收外部的光照。污染气体或液体流经光触媒30，其中的有害污染物与光触媒30受到光照激发后在周围产生的自由基反应，被降解或转化为无害物质，从而得到洁净的气体或流体。
[0198]
进一步地，本实施例中，所述的光触媒30包括复合纤维和基材，通过基材可将光触媒30支撑于供气体或液体通过的流道中。
[0199]
如图4所示，在本实施例的优选方案中，光触媒30相对于气体或液体的流向呈相切方向布置，以确保用于去除流体中的污染物的高光催化活性。
[0200]
具体地，本实施例中对相对于气体或液体的流向具有不同设置方向的光触媒30的净化效率进行了比较，其中，光照方向与所述流向垂直照射至流道内部的光触媒30上。
[0201]
如图4所示，光触媒30沿与流向相切的方向布置于所述通道内。如图5所示，光触媒30沿垂直于流向的方向布置于所述通道内。如图6所示，光触媒30与所述流向呈一定夹角α地布置在所述通道内。
[0202]
通过no去除效率测试发现，只有如图4所示的光触媒30布置方式(即与流向相切)实现了与具有松散复合纳米棒的光触媒(即不包括基材)相同的性能。而对于如图5所示垂直放置的光触媒30，只有当基材上复合纤维的负载量增加时，才能达到与图4所示的光触媒30布置方式相当的效率。
[0203]
具体地，测试结果显示，随着光触媒30与所述流向之间的夹角角度从0
°
到90
°
逐渐增加，其对no的去除效率逐渐降低。详细地，30min时，所述夹角角度为0
°
、30
°
、45
°
、90
°
放置的光触媒30对no的去除率分别为42％、32％、23％和13％。这可能是因为当光触媒30由水平放置逐渐竖立时，其上可接收光照射的复合纤维量减少。但是，可以通过增加基材上复合纤维的负载量来补偿no去除率的降低。
[0204]
本实施例还提供一种从流动气体或液体中去除污染物的方法，包括：将光触媒30放置在气体或液体附近；提供光源激发光触媒30进行光催化反应。
[0205]
进一步地，所述光源选自紫外光、可见光或其组合。例如，可人为提供光源，或直接利用太阳光。光触媒30被激活以产生自由基，例如氧自由基和羟基自由基，从而将流体中的污染物转化为无害物质进行排放。
[0206]
进一步地，所述气体或液体从光触媒30的上游端向下游端流经光触媒30，从而实现对气体或液体中污染物的去除。
[0207]
本实施例的一种优选方案中，光触媒30的基材具有网状结构，所述网状结构的基材可以起到过滤作用，从而捕获存在于流体中的颗粒。如此，光触媒30可同时实现对流体中颗粒杂质的去除与化学污染物的净化，净化效果更好。
[0208]
本实施例中，可将光触媒30应用于医疗设备、基础设施、车辆、管道、建筑物和器具等，利用其光催化性能实现清洁空气或液体的目的。
[0209]
实施例8
[0210]
如图7所示，本实施例提供一种上述实施例7中所述净化装置的具体结构。
[0211]
本实施例中，所述净化装置具有壳体10，壳体10内部形成供污染气体或液体流经实现净化的流道。在壳体10上设置有透明窗口11，光照可透过透明窗口11照射至光触媒上。
[0212]
进一步地，壳体10内的流道中设置有第一光触媒31，第一光触媒31相对于流体的流向呈夹角θ布置。至少一个透明窗口11设置在第一光触媒31上方，在通过透明窗口11的光照射下，第一光触媒31产生的自由基实现对污染物的分解净化，且当污染的气体或液体通过的同时捕获流体中的颗粒。
[0213]
本实施例的进一步方案中，在第一光触媒31的下游还设置第二光触媒32，第二光触媒32相对于气体或液体的流向呈相切方向设置。优选地，第二光触媒32可以安装在位于第一光触媒31下游的另一透明窗口11处。
[0214]
通过设置第二光触媒32，能够确保流体中的大部分目标污染物在从净化装置的流道中排出之前被充分去除。
[0215]
本实施例中，净化装置中同时设置第一光触媒31和第二光触媒32，可通过两阶段的光催化过程确保排出洁净气体或液体，所排出流体中基本不含污染物。
[0216]
实施例9
[0217]
如图8所示，本实施例为上述实施例8的进一步限定，所述的光触媒与过滤器组合使用设置在壳体10内部。
[0218]
具体地，本实施例的净化装置在壳体10内部位于透明窗口11下方设置第三光触媒33，第三光触媒33与过滤器20贴合设置，且过滤器20设置在第三光触媒33的上游。第三光触媒33相对于流体的流向呈夹角θ布置。
[0219]
本实施例的净化装置可以在水平或倾斜设置的状态下采用单级光催化过程实现对污染气体或液体的净化。当污染气体或液体流过时，过滤器20在第三光触媒33上游滤除悬浮颗粒，紧随其后的第三光触媒33可去除或转化气体或液体中的有害污染物。当污染气体或液体从过滤器20和第三光触媒33的上游端流到过滤器20和第三光触媒33的下游端时，过滤器20和第三光触媒33相对流向倾斜一定角度设置，可提高过滤器20的过滤效率，以及第三光触媒33的光催化活性。
[0220]
在上述方案中，过滤器20位于壳体10内部第三光触媒33的上游，使得大多数悬浮颗粒在接触第三光触媒33之前被去除。如此，降低了第三光触媒33被悬浮颗粒堵塞的风险，从而延长了第三光触媒33的使用寿命。若悬浮颗粒没有被提前滤除，一些细小的颗粒还可能会流过第三光触媒33。这些细小颗粒可能会散射通过透明窗口11照射的光，从而降低照射在第三光触媒33上的光强度，进而降低了光催化分解或转化污染物的效率。本实施例通过在第三光触媒33的上游设置过滤器20，有利于保持第三光触媒33高而恒定的光催化效率。
[0221]
进一步地，对于用于净化气体的净化装置，其中的过滤器20可由平均纤维直径为1～30μm的微纤维制成，也可以由平均直径为50～1000nm的纳米纤维制成，还可以由微纤维和纳米纤维的组合构成。对于用于净化液体的净化装置，其中的过滤器20可以由适合于去
除液体中颗粒的任何常规过滤材料制成，例如泡沫和膜。
[0222]
本实施例中，过滤器20和第三光触媒33的组合相对水平方向(也即流向)的夹角θ可以是0
°
～90
°
之间的任何角度。优选地，所述夹角θ在10
°
～40
°
之间。更优选地，所述夹角θ为20
°
～30
°
。
[0223]
根据上述实施例7所述，在光触媒中复合纤维的含量一定时，所述的夹角θ越小，光触媒对污染物的去除率相对更高。但在实际应用中，所述的夹角θ越小，例如低于15
°
时，对于同样面积的光触媒，其沿流向方向的延伸长度更长，进而需要更大的用于光触媒延伸穿过的通道。考虑到光触媒的实际设计和性能，所述夹角θ最优选为20
°
～30
°
。
[0224]
本实施例的净化装置中，通过将过滤器20和第三光触媒33组合设置，并相对于水平面成一定角度的布置，可以获得高过滤效率和高光催化效率。
[0225]
本实施例的进一步方案中，在第三光触媒33的下游也可以设置与流向相切布置的第二光触媒32，以确保最终排放的流体中基本上不含污染物。
[0226]
实施例10
[0227]
如图9所示，本实施例与上述实施例8的区别在于：设置在所述壳体10内部的光触媒为具有褶皱结构的褶皱光触媒34。
[0228]
具体地，本实施例中的褶皱光触媒34包括柔性基材，所述柔性基材被打褶布置，使得褶皱光触媒34整体在壳体10内部呈v形或z字形设置。通过以上设置方式，本实施例的褶皱光触媒34可以增加用于实现光催化反应的表面积，同时可降低流体沿垂直于光触媒表面流经褶皱光触媒34的速度。
[0229]
参考图9，流体以原始面速度a流经褶皱光触媒34，褶皱光触媒34的褶皱几何结构可将原始面速度a分解为两个分量，分别为垂直于褶皱光触媒34表面的有效面速度a1，以及与褶皱光触媒34表面平行的速度分量a2。可以看出，有效面速度a1的大小明显小于原始面速度a。如此，气体或液体能够更加充分地与褶皱光触媒34的表面接触，有利于光触媒实现更高的光催化性能。
[0230]
光触媒使用过程中，气体或液体的流速也会在一定程度上影响光触媒的光催化性能。对tz复合纤维制成的光触媒在不同流速下对no的去除效果进行测试，采用相同面积与tz复合纤维负载量的光触媒，当流体流速分别为0.5、1.5、2和3l/min时，光触媒对no的去除率分别为82％、64％、58％和52％。可以看出，no去除率随着流体流速的降低而增加。这是由于随着流速的降低，流体中no的通流率(或通流速度)降低，进而no与光触媒作用下产生的光生羟基自由基的接触时间就越长，使得no去除效率越高。
[0231]
由以上测试结果可以看出光触媒的光催化性能与流体流经的面速度之间的关系，也即本实施例中将柔性基材打褶得到的褶皱光触媒34通过降低有效面速度a2可提高其光催化活性。
[0232]
本实施例的进一步方案中，褶皱光触媒34还可以和过滤器组合使用。具体地，将过滤器设置为与褶皱光触媒34匹配的褶皱几何结构，从而增加过滤器的表面积并降低面速度。通过将过滤器和光触媒均设置为褶皱结构，可以获得更高滤除颗粒杂质的过滤效率，以及去除有害污染物的净化性能。
[0233]
实施例11
[0234]
如图7至图9所示，本实施例为上述实施例8或9的进一步限定，所述的第二光触媒
32具有如图7中褶皱光触媒34的褶皱结构。
[0235]
具体地，第二光触媒32具有褶皱结构，进而至少在其下侧表面提供凹槽，且所述凹槽的延伸方向与流体的流向平行或接近平行。第二光触媒32下侧表面具有凹槽，有效避免了流体的堵塞，同时还增加了携带污染物的流体与第二光触媒32之间的接触面积，进而通过设置所述接触面积最大化可以进一步提高光催化效率。
[0236]
本实施例的一种优选方案中，具有褶皱结构的第二光触媒由壳体内壁向壳体中部延伸，从而伸入流经的气体或液体中，从而最大限度地与气体或液体中的污染物接触，进一步增加光催化活性。
[0237]
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。