光催化劑在主動凈化式室內空氣凈化器中的應用

羅志昕楊 國蔣美玲

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州　450002）

光催化劑在主動凈化式室內空氣凈化器中的應用

羅志昕楊 國蔣美玲

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州450002）

本文從專利申請分布的角度分析了主動凈化式室內空氣凈化器發展格局，并重點梳理了光催化劑在空氣凈化器中應用技術的整體發展脈絡，經歷了從低效單一的光源逐步發展為高效能耗更低的可見光源，從單獨的光催化模塊發展到多項技術復合的一體式模塊。目前，光催化劑型主動凈化式空氣凈化器正朝著小型、高效、節能的方向快速發展。

光催化劑；室內空氣凈化器；主動凈化

隨著經濟發展和生活水平的提高，大量裝飾材料、家具以及生活用品不斷進入室內，導致室內環境污染日趨嚴重，現代人正進入以“室內空氣污染為標志的第三污染時期”［1］。現代人80%以上的時間在室內度過，人們呼吸的空氣絕大部分來自室內，室內空氣質量直接影響人們的健康，因此，人們對室內空氣質量日益重視起來。針對室內空氣污染，采用室內空氣凈化器可以有效地改善室內空氣質量、創造健康舒適的室內環境。空氣凈化器按照不同的凈化原理主要分為：（1）被動凈化式（濾網型）：風機將空氣抽入機器內，污染物被內置的濾網隔離，起到凈化的效果；（2）主動凈化式（無濾網型）：根據產品的主動殺菌原理可分為銀離子凈化、負離子凈化、低溫等離子凈化、光觸媒凈化和凈離子群凈化［2］。主動凈化式與被動凈化式的空氣凈化器相比，其主動向空氣中釋放凈化滅菌因子，通過空氣彌散性的特點，對室內空氣進行凈化，覆蓋面積更廣，凈化效果更佳。因此，主動凈化式的室內空氣凈化器逐漸成為研究熱點。

1　主動凈化式室內空氣凈化器專利申請情況

圖1所示為不同年份主動凈化式室內空氣凈化器的專利申請量分布情況，可以看出，1985年至1996年期間，專利申請量較少并呈現平穩的發展趨勢，對主動凈化式室內空氣凈化器的研究還處于初期階段；1996年至2008年期間，專利申請量呈現較迅速的增長，主要是因為人們意識到室內空氣質量的重要性，對主動凈化式室內空氣凈化器的研究逐漸增多；2008年至2010年期間，專利申請量呈現下滑趨勢，這可能是因為人們對主動凈化式室內空氣凈化器的研究趨于成熟；2010年至今，專利申請量又呈現上升趨勢，并于2014年達到申請量的最高點（2015年和2016年的部分申請還未滿18個月，沒有被公開，因此，預計2015年和2016年的實際申請量應高于圖中所示數量），主要是因為近幾年霧霾天氣情況嚴重，由此引起的呼吸道疾病頻發，室內空氣凈化器重新成為購買熱點，許多公司加大研發力度進行技術攻關。整體來說，由于人們對室內空氣質量越來越重視，使得主動凈化式室內空氣凈化器的專利申請量目前呈上升趨勢。同時，由圖1可以看出，主動凈化式室內空氣凈化器的專利申請主要涉及光催化劑凈化、負離子凈化和等離子凈化，其中光催化凈化技術由于其制作成本低、對人體和環境無毒無害、催化活性高等優點在近幾年得到了快速發展，光催化劑大多數都屬于寬禁帶的n型半導體化合物，如TiO2、CdS、SnO2、ZnO等，這些半導體中以的TiO2催化活性最高，目前，銳鈦型活性高的TiO2納米粉作為光催化劑被廣泛應用于空氣凈化器中。

圖1 專利申請量-年份分布圖

圖2 主要申請國家專利申請量示意圖

圖3 主要申請人分布圖

圖2所示為不同國家關于主動凈化式室內空氣凈化器的專利申請量分布情況，可以看出，中國是申請量最多的國家，其次是日本、韓國、美國，由此表明，中國、日本、韓國、美國是主動凈化式室內空氣凈化器的主要研發國家。中國的申請量之所以最多，是由于中國室內空氣凈化領域快速發展，導致專利申請量出現了爆發式增長；雖然中國的專利申請量最多，卻存在著專利申請質量偏低、重復性申請較多、市場轉化率低等問題［3］，國內研究人員應加大研發力度，提高專利申請的技術含量，同時應嘗試進行專利布局。

主動凈化式室內空氣凈化器的申請人較為分散，圖3所示為主動凈化式室內空氣凈化器的主要申請人分布情況，可以看出，排名前兩位的是中國公司，分別為北京道順國際技術開發有限責任公司和青島木力新能源科技有限公司，這說明國內企業對主動凈化式室內空氣凈化器研發是相對重視的；然而，通過標引發現，這兩個公司均存在著將同一個發明構思通過改變某些技術特征提交多份專利申請的問題。

其它的主要申請人分別是日本夏普、日本大金、日本松下、日本三菱、日本荏原，均為知名大企業，這說明日本公司對于主動凈化式室內空氣凈化器的研發能力較強，一直處于領先地位，國內企業應關注這些企業專利申請，以尋求技術引進或技術合作，并且上述企業專利申請中關于設置光催化劑的空氣凈化器技術均占有相當大的比重。

可見，最近幾年人們一直在研究更為實用有效的應用于室內空氣凈化器的材料，而光催化功能材料被認為在該領域極具發展潛力并成為研究的熱點。

2　光催化劑在室內空氣凈化領域的應用

光觸媒技術是化學反應物質在催化劑上發生光化學作用的過程，其實質是在光電轉換中進行氧化還原反應，該法可在常溫常壓下反應，反應速率快，對能源的消耗少，大部分碳氫化合物能完全氧化為二氧化碳和水，可實現連續化處理和使用。光觸媒技術起始于1972年，Fujishima和Honda發現了在TiO2單晶體表面上光催化分解水現象，此后TiO2光催化技術在空氣凈化領域中引起廣泛關注。圖4列出了光觸媒凈化的技術路線演進圖。

圖4 光觸媒凈化技術路線演進圖

由于光催化劑需要光源的激發才能發揮催化作用，其對光源的要求較高。早期的光觸媒凈化需要在凈化器中設置紫外光源，1988年日本日立申請的專利JP5829788A中公開的空氣凈化器，其包括了銳鈦礦型二氧化鈦光催化劑與吸附材料復合制備的光催化組件，光催化劑在吸附材料表面，通過紫外光燈照射光催化劑，可以用于吸附分解異味，并保持長時間的催化活性；之后，JP18647192A公開了一種帶有吸附劑和紫外線的室內空氣凈化器，其分別設置吸附劑層和帶有紫外光源的光催化劑層，凈化器中設置傳感器以根據不同的空氣質量切換不同凈化模式，有針對性對空氣進行凈化處理；專利JP19093196A公開的室內凈化器中光催化劑所用光源為冷陰極熒光燈，該光源所發射光線主要集中在370nm的紫外光區，并且光源具有較長的使用壽命，在光源附近還設置了光反射板，以充分利用紫外光；我國春蘭空調器廠的專利申請CN99229554公開了一種新型光催化空氣凈化裝置，具有吸附塊及其盒架，盒架內安裝紫外光燈管，盒架上具有與紫外光燈管對應的遮光罩，對光觸媒實行原位光再生凈化，紫外光燈管彌補了日光中紫外線進行光催化的不足，使吸附塊所吸附的各種有害物質和氣體得到充分分解和轉化，并能以吸附-催化分解-再生的方式持續工作，凈化室內空氣，有利于人體健康；此時，光觸媒技術普遍使用的光催化劑仍然是TiO2，由于受其禁帶寬度的制約，空氣凈化器中往往需要自帶紫外光源，增加了空氣凈化器的運行負荷；CN200410016993采用空氣循環與空中直接凈化結合的凈化方式，大大縮短了空氣凈化的時間，提高了空氣凈化的效率，并且利用環閉通道內壁光觸媒膜進行空氣凈化，只需要使用普通白熾光，無需紫外光源，對結構和環境不需要特殊條件，能應用到不同的環境中。

除了對光源的改進，光觸媒凈化朝著多元化發展，各種不同的空氣凈化技術開始逐步融合。CN01258706中采用光催化與多相催化耦合的空氣凈化裝置，它融光催化、多相催化、負離子、靜電除塵技術于一體，能高效快速地分解空氣中的有機污染物、無機氣體污染物，去除煙塵、殺滅微生物污染物與臭味物質；CN200420094163公開了一種復合功能空氣光催化凈化器，它主要由風機、紫外燈、附載型催化劑床層和其它附加功能部件組成，以上結構在有限的凈化器空腔內構成了伸長的高效光反應區間，提供了一種高效的光催化凈化器結構，為強化凈化器功能還在氣流入口段加裝臭氧源，在氣流出口段加裝有負離子發生器和臭氧分解催化劑；CN201510811341公開了一種可移動室內空氣凈化裝置，包括蜂巢靜電等離子裝置、汞齊燈、二氧化鈦光觸媒網、風機、粗效過濾棉、總裝置外框組成，內部從上至下安裝了蜂巢靜電等離子裝置、汞齊燈、光觸媒網、風機和四周布置的粗效過濾棉，同時總裝置外框底部安裝滑輪可以自由移動，其結構簡單，使用安裝方便，操作簡單，省力，實用性強，安全可靠；其中蜂巢靜電等離子裝置、汞齊燈、光觸媒可以有效提高除塵效率、提高降解有害氣體、提高殺菌性能。

隨著人們對室內空氣凈化器空間占用以及凈化效率要求的提高，室內空氣凈化器向小型、高效、節能的方向發展。KR20050127472A公開了一種使用生物友好性材料制備的空氣凈化器，其包括吸附組件、生物友好的光催化劑和負離子發生器，其具有較小的尺寸，較高的凈化能力，可以節省能源，適用于室內空氣凈化；CN200820045091公開的空氣凈化器包括活動設置在支架上的殼體、改性活性炭過濾層、光催化降解裝置、風扇和電路控件，其結合了吸附技術和光催化技術，通過使用改性活性炭過濾層使其更好的針對酸性或堿性氣體、有機極性或非極性氣體等進行高效率的吸附處理，通過光催化降解裝置能對空氣中的VOCs等進行全面徹底的降解，除去小分子量的殘留有機氣體，而兩者相結合使周圍環境的有毒氣體得到凈化；CN200810060790公開的空氣凈化裝置采用靜電-臭氧-光催化-免維護活性炭工藝聯合去除室內空氣復合污染，主要包括高壓靜電放電極、集塵板、光催化板、紫外光源和免再生活性炭纖維層，風機帶動氣流進入裝置，高壓靜電放電極去除氣流中顆粒物并產生一定的臭氧，紫外燈光源殺滅氣流中的微生物，并產生一定的臭氧、光電子、羥基自由基等，同時可激發TiO2光催化板去除微生物，降解化學污染物，免再生活性炭纖維層去除氣流中的剩余臭氧及部分未反應的污染物，最終排出潔凈空氣，實現室內空氣復合污染物的高效凈化。

隨著光觸媒技術的進一步發展，對光催化劑進行改性以提高光催化劑催化效率的技術日益成熟，其對室內空氣凈化器的發展起到推動作用。CN201320317415公開的室內空氣凈化器中光催化裝置為三聚氰胺改性TiO2光催化裝置，殼體內與光催化裝置對應的位置設置有照射光催化裝置的LED燈，其結構簡單，成本低廉，操作方便，針對空氣中的有機污染物效果明顯，使用的可見光催化劑有較高的光催化活性，不存在紫外光泄漏的風險。

3　結語

隨著人們對室內空氣質量要求的提高，主動凈化式室內空氣凈化器的專利申請量仍呈現上升趨勢，光催化材料以其具有良好的化學穩定性、抗磨損性、低成本、對人體和環境無毒無害、不會產生二次污染等優點，成為目前最具有發展潛力的空氣凈化材料，但其仍存在著可見光利用率低、量子化效率低、光吸收范圍窄等缺陷，在應用于空氣凈化器時，仍需要配置特定光源以提高其凈化效率。隨著光催化劑的發展以及人們對于空氣質量要求的進一步提高，更加小型、高效、節能并且復合多項技術于一體的空氣凈化器將成為今后發展的重要方向。

［1］袁琳嫣.室內空氣凈化器技術應用研究進展［J］.潔凈與空調技術，2015（3）：46-50.

［2］蘇美先.空氣凈化器的研究和設計［D］.廣州：廣東工業大學，2014.

［3］李正杰等.等離子體空氣凈化技術的專利申請狀況分析［J］.吉林工程技術師范學院學報，2014，30（5）：41-44.

The Application of Photocatalyst in Active Indoor-Purifier

Luo Zhixin Yang GuoJiang Meiling
（Patent Examination Cooperation Henan Center of The Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

Based on the distribution of patent application in Active Indoor-Purifier，the development of Active Indoor-Purifier is analyzed.As the application of photocatalyst in air purifier is mainly discussed，the technical development trend can be showed as follow：developed from a single inefficient light-source to the more efficient and lower energy consumptionvisible light-source，and from the individual photocatalytic module to the integration modules.Recently，the smaller，more efficient and lower energy consumption Active Indoor-Purifier is urgently wanted by consumers.

photocatalyst；Indoor-Purifier；active

X511

A

1003-5168（2016）06-0064-04

2016-5-20

羅志昕（1984-），女，助理研究員，研究方向：催化劑領域發明專利審查；楊國（1986-），男，研究實習員，研究方向：催化劑領域發明專利審查，等同于第一作者。