一种基于碳量子点的光催化过滤层结构

1.本技术涉及空气净化领域，具体提供了一种基于碳量子点的光催化过滤层结构。

背景技术：

2.作为碳纳米家族中的新型的零维纳米材料，碳量子点主要成分为c元素，原料来源丰富，且制备简单，成本较低。碳量子点呈球状，由碳核和丰富的表面官能团构成，其中碳核由无定形碳或sp2或sp3杂化纳米晶碳组成，位于碳量子点的中心位置，表面官能团为羟基、羧基、羰基、环氧基等。碳量子点在紫外-可见光波段均具有明显的吸收。
3.光催化空气净化装置是一种常见的空气净化装置，其中的核心部件为过滤层结构，过滤层结构中设置有光触媒颗粒等用于光催化反应的物质，过滤层结构设置于空气的必经之处。工作时，在光照作用下，光触媒颗粒产生光生电子和光生空穴；光生电子和光生空穴与空气中的氧气和水分子反应生成强氧化还原性的氧负离子和羟基自由基团；氧负离子和羟基自由基团与待净化空气中的甲醛等有机污染物反应，最终生成无毒的二氧化碳和水，即将有毒的甲醛等污染物通过光催化反应转化为无毒的二氧化碳和水，达到净化空气的目的。
4.常用的光触媒材料是二氧化钛，二氧化钛的能带间隙为3.1ev，由于光催化过程需要产生光生电子和光生空穴，即光子能量需要大于二氧化钛的能带间隙，这样才能将二氧化钛中的电子由价带激发到导带，产生光生电子和光生空穴；因此，二氧化钛只能吸收紫外光，能量占比较大的可见光部分没有参与到光催化反应中，对光源的利用率较低；这导致难以对光催化过滤层结构的净化效率进一步提升。
5.综上所述，由于没有充分利用可见光进行光催化反应，导致现有的光催化过滤层结构中的光催化反应强度较弱，从而光催化过滤层结构的空气净化效率难以进一步提升。

技术实现要素：

6.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的光催化过滤层结构，本发明的技术构思是：通过在光催化过滤层结构中设置能够吸收可见光的碳量子点颗粒，使得可见光能够参与光催化反应，提升了对光源的利用率，从而提升光催化反应的强度，提高空气净化效率。另外，本发明中将光触媒颗粒和碳量子点颗粒固定和设置于柔性纤维表面，这样远离活性炭层一端的光触媒颗粒和碳量子点颗粒的移动幅度大于靠近活性炭层一端的光触媒颗粒和碳量子点颗粒的移动幅度，使得靠近活性炭层一端的光触媒颗粒和碳量子点颗粒也能够被充分照射，从而提升光催化反应的强度，进一步提升空气净化效率。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.本技术提供一种基于碳量子点的光催化过滤层结构，结构包括碳量子点颗粒、光触媒颗粒、柔性纤维、活性炭层。活性炭层为多孔的活性炭棉，用于去除空气中的颗粒污染物和部分气体污染物，同时能够为柔性纤维提供支撑。活性炭层的具体形状与使用的光催
化空气净化器中设计的过滤层的形状和尺寸相匹配，即与使用的卡槽、卡环等固定部件的尺寸和形状相匹配，可以是圆柱形、长方体等形状。柔性纤维的一端固定设置于活性炭层的一侧，柔性纤维的另一端为自由端，这样使用时，柔性纤维在气流的带动下摇摆，自由端摇摆幅度大于固定端，具体地，柔性纤维的直径为20-100μm。碳量子点颗粒和光触媒颗粒固定设置于柔性纤维的表面，具体地，可以是粘合固定连接，也可以是利用碳量子点颗粒和光触媒颗粒与柔性纤维表面的相互作用力固定。优选地，光触媒颗粒的表面也设置有碳量子点颗粒。光触媒颗粒的材料为二氧化钛，即光触媒颗粒为二氧化钛颗粒；光触媒颗粒的粒径为15-100nm，碳量子点颗粒的粒径小于10nm。
9.柔性纤维的长度大于0.5cm，大于0.5cm的长度使得柔性纤维的表面积更大，从而能够在其上设置更多的碳量子点颗粒和光触媒颗粒，从而提升光催化反应的强度，提升净化效率。柔性纤维为玻璃纤维、塑料纤维、人造纤维、植物纤维中的一种，优选地，柔性纤维为玻璃纤维或塑料纤维，因为玻璃纤维或塑料纤维为透明材料，且折射率大于1，对光场有局域作用，使用时，能够将光源发出的光局域在柔性纤维内，这样光场与光触媒颗粒和碳量子点的距离更近，相互作用更强，光触媒颗粒和碳量子点能够吸收更多的光场，产生更多光生电子和光生空穴参与到光催化反应中，从而提升光催化强度，进而提升净化效率。
10.过滤层结构可用于光催化空气净化装置，过滤层结构用于光催化空气净化装置时使用紫外-可见光源。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果：
12.本发明通过在柔性纤维的表面固定设置碳量子点颗粒，碳量子点吸收光源中的可见光波段，在其内产生光生电子和光生空穴，光生电子和光生空穴被碳量子点颗粒表面的表面官能团捕获，聚集在碳量子点表面，捕获了电子和空穴的表面官能团具有强的氧化和还原能力，从而能够与空气中的有机污染物反应，起到净化空气的作用，本发明充分利用了光源中的可见光，有效提升了光催化反应的强度，因此本发明光催化过滤层结构的空气净化效率较高。
13.同时，工作时柔性纤维能够摆动，远离活性炭层一端的光触媒颗粒和碳量子点颗粒的摆动幅度大于靠近活性炭层一端的光触媒颗粒和碳量子点颗粒的摆动幅度，使得靠近活性炭层一端的光触媒颗粒和碳量子点颗粒也能够被充分照射，从而提升光催化反应的强度，进一步提升空气净化效率，因此本发明光催化过滤层结构的空气净化效率较高。
附图说明
14.图1为本发明提供的一种基于碳量子点的光催化过滤层结构的示意图。
15.图标：1-碳量子点颗粒；2-光触媒颗粒；3-柔性纤维；4-活性炭层。
具体实施方式
16.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。
17.本发明提供了一种基于碳量子点的光催化过滤层结构，该结构包括碳量子点颗粒1、光触媒颗粒2、柔性纤维3、活性炭层4。活性炭层4为多孔的活性炭棉，用于去除空气中的颗粒污染物和部分气体污染物；活性炭层的厚度为大于2cm，这样能够有效去除空气中的颗粒污染物，同时能够为柔性纤维3提供支撑。活性炭层4的具体形状与使用的光催化空气净
化器中设计的过滤层的形状和尺寸相匹配，即与使用的卡槽、卡环等固定部件的尺寸和形状相匹配，可以是圆柱形、长方体等形状。
18.柔性纤维3的一端固定设置于活性炭层4的一侧，柔性纤维的另一端为自由端，这样使用时，柔性纤维3在气流的带动下摇摆，自由端摇摆幅度大于固定端，具体地，柔性纤维3与活性炭层4表面之间粘合固定连接，活性炭层4为多孔结构，柔性纤维3可以粘合固定在活性炭层4表面的平面上，也可以固定在活性炭层4表面的孔状结构的内壁边缘，更具体地，柔性纤维3的直径为20-100μm，固定有柔性纤维3的活性炭层4表面上每平方厘米的面积内固定设置的柔性纤维3的数量为8000-12000根，以保证有足够多的柔性纤维3。
19.碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2固定设置于柔性纤维的表面，柔性纤维3的表面积较大，这增加了碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2的数量，使得光催化反应充分进行，提升净化效率。具体地，可以是粘合固定连接，也可以是利用碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2与柔性纤维3表面的相互作用力固定。光触媒颗粒2的材料为二氧化钛，即光触媒颗粒2为二氧化钛颗粒。具体地，制备时，先将柔性纤维3和活性炭层4在氩气氛围下使用等离子体进行处理，处理时间大于10s，这使得柔性纤维3的表面的附着力提升，使其容易吸附碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2；一般来讲，碳量子点颗粒在粉末状或由溶液态转变为固态时，由于直接的π-π相互作用和荧光共振能量转移，碳量子点颗粒会团聚在一起，使得荧光猝灭，也就是想要使得碳量子点颗粒在固态环境中产生荧光，需要将碳量子点颗粒分散开，由于表面的相互作用较强，等离子体处理后的柔性纤维3表面使得碳量子点颗粒不容易团聚在一起，从而使得碳量子点颗粒能够产生较好的荧光效应。也可以将柔性纤维3固定在活性炭层4之前进行等离子体处理。将处理后的柔性纤维3部分浸泡在碳量子点溶液或光触媒颗粒水溶液或碳量子点颗粒和光触媒颗粒的混合溶液中5s以上，具体地，可以先浸入碳量子点溶液，再浸入光触媒颗粒水溶液，也可以先浸入光触媒颗粒水溶液，再浸入碳量子点溶液，还可以直接浸入碳量子点颗粒和光触媒颗粒的混合溶液。最后，在惰性保护气氛下进行退火，以使得柔性纤维3与碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2之间的接触更紧密，相互作用力更强。退火温度为40-50℃，退火时间1.5-2.0h，自然降温后得到。需要注意，分两次浸泡时，完成第一次后需要退火完成再进行第二次，第二次浸泡后还需要退火。优选地，通过一次浸泡完成，这样，一方面，缩短制备时间，另一方面，不需要严格控制碳量子点溶液的溶度，分两次浸泡时，碳量子点溶液的浓度过小会使得碳量子点颗粒1的量较少，碳量子点溶液的浓度过大，会使得柔性纤维3的表面先附着体积较小的碳量子点颗粒1，后面再次进入光触媒颗粒水溶液时，光触媒颗粒2不容易附着在柔性纤维3的表面。
20.在紫外-可见光照射下，光触媒颗粒2吸收紫外光产生光生电子和空穴，光生电子和空穴。光生电子和光生空穴与空气中的氧气和水分子反应生成强氧化还原性的氧负离子和羟基自由基团；氧负离子和羟基自由基团与待净化空气中的甲醛等有机污染物反应，最终生成无毒的二氧化碳和水，即将有毒的甲醛等污染物通过光催化反应转化为无毒的二氧化碳和水，达到净化空气的目的。产生的光生电子和空穴，会在ns量级时间内复合，只有不复合的电子空穴才对光催化反应有贡献，因此，产生更多的光生电子和防止产生的光生电子和空穴复合是光触媒颗粒2光催化反应增强的关键。
21.碳量子点颗粒中的c＝c键的π-π
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迁移和c＝o的n-π
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迁移使得碳量子点在紫外波段具有较强的吸收，吸收峰位于230-280nm和320-360nm，表面官能团的表面态能够捕获可见
光范围的光子，即碳量子点颗粒1在可见光范围的吸收也较强，因此，碳量子点颗粒能够吸收紫外光和可见光。在紫外-可见光源的照射下，碳量子点颗粒1内产生光生电子和光生空穴，电子由基态变为激发态，激发态电子的能量主要分为三部分。第一部分传递给晶格振动转化为热能，不可避免，也与净化空气过程无关；第二部分被碳量子点颗粒1表面官能团捕获用于和空气中的有机污染物反应，净化空气主要利用这一部分；第三部分由激发态回到基态，与电子空穴复合，以辐射的方式发出荧光，碳量子点颗粒1发出的荧光大部分位于可见光波段，对于碳量子点颗粒1本身的光催化反应没有促进作用，但是，发出的荧光照射在邻近碳量子点颗粒1上，能够使得邻近碳量子颗粒1产生更多的光生电子和空穴，从而促进邻近碳量子颗粒的光催化反应，即提升了可见光的利用率，提高空气净化效率。另外，碳核和表面官能团之间的非辐射电子跃迁也会导致荧光发光，从而增强第三方面的效果。
22.光触媒颗粒2的粒径为15-100nm，碳量子点颗粒1的粒径小于10nm。碳量子点颗粒1的尺寸可以相同，也可以不同；光触媒颗粒2的尺寸可以相同，也可以不同。碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2之间可以接触，也可以不接触。具体地，碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2之间不接触，容易制备，制备时，不需要精确控制碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2的浓度等。碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2之间接触，接触后除了具备碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2各自的有益效果外，还具备如下有益效果：接触后，碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2之间存在电子迁移，即光触媒颗粒2中的电子迁移到碳量子点颗粒1中，避免了光触媒颗粒2中的电子空穴之间的复合，迁移的电子被接触处附近碳量子点颗粒1表面官能团捕获，用于光催化反应，提升光催化反应效率；表面官能团捕获的电子聚集，不仅包含来自于光触媒颗粒2内的电子，在其附近形成固定方向的电场，这个电场驱使光触媒颗粒2内的电子和空穴向相反方向运动，不容易复合在一起，从而增强光触媒颗粒2的光催化反应强度，进而提升光催化效率。
23.光触媒颗粒2之间不接触，间距为20-60nm，这样能够在其周围设置更多碳量子点颗粒1与其接触。碳量子点颗粒1之间的间距为小于20nm，这样碳量子点颗粒1能够被邻近碳量子点颗粒1发出的荧光照射到，间距过大时会使得照射在邻近碳量子点颗粒上的荧光强度弱，从而净化效果较差。
24.柔性纤维3的长度大于0.5cm，大于0.5cm的长度才能使得柔性纤维3的摆动幅度足够大，从而对空气的风阻较大，这样会使得光触媒颗粒2和碳量子点颗粒1与空气的相互作用时间较长，从而提升光催化反应的时间；同时，大于0.5cm的长度使得柔性纤维3的表面积更大，从而能够在其上设置更多的碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2，从而提升光催化反应的强度，提升净化效率。柔性纤维3摆动时，靠近自由端的碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2的摆动幅度大于靠近固定端的碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2的摆动幅度；这使得靠近固定端的碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2能够充分暴露在光场中，使得光场与靠近固定端的碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2充分相互作用，提升可见光的利用，产生光催化反应，从而增强总体的光催化反应的强度，提升净化效率。柔性纤维3摆动时，会使得空气的流动性更强，在光催化反应进行时，会不断消耗空气中的氧气和水分子，氧气和水分子浓度的降低会使得光催化反应过程变慢，甚至停止，较强的空气流动性使得碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2周围存在较多的新鲜空气，有足够浓度的氧气和水分子供光催化反应进行，因此，柔性纤维3的设置使得空气净化效率提升。
25.柔性纤维3为玻璃纤维、塑料纤维、人造纤维、植物纤维中的一种，优选地，柔性纤
维3为玻璃纤维或塑料纤维，因为玻璃纤维或塑料纤维为透明材料，且折射率大于1，对光场有局域作用，使用时，能够将光源发出的光局域在柔性纤维3内，这样光场与光触媒颗粒2和碳量子点颗粒1的距离更近，与光场相互作用更强，光触媒颗粒2和碳量子点颗粒1能够吸收更多的光场能量，产生更多光生电子和光生空穴参与到光催化反应中，从而提升光催化强度，进而提升净化效率。
26.具体地，光触媒颗粒水溶液和碳量子点溶液可以直接购买对应尺寸的试剂，也可以制备。本实施例中，购买了光触媒颗粒，即二氧化钛纳米颗粒，将其溶于去离子水中，充分搅拌后即得光触媒颗粒水溶液，配置浓度为1.5％。碳量子点溶液为制备得到，碳量子点的制备可以通过水热法、微波法、直接热解法、模板法，得到的为粉末状时，将其溶于去离子水、经过超声、离心，取上层清液即得到碳量子点溶液。具体地，本实施例使用微波法制备，在甲醛溶剂中通过微波辅助热解直接生成掺杂有sp3c的碳量子点颗粒，需要说明这里的掺杂并非对碳量子点颗粒的限制，仅是一种实施方式而已。具体地，大致过程如下：取邻苯二甲酸氢钾、叠氮化钠、硼酸、甲醛于烧杯中混合，对应比例为1g:1g:2g:10ml，超声处理10分钟后生成透明溶液，在微波炉中以800w的功率加热10分钟，自然降温后取出即得到粉末状的碳量子点颗粒；将得到的碳量子点颗粒取5g加入500ml去离子水中，进行超声，离心后，离心转速为8000rpm，时间为8min，取上清液，即得到碳量子点溶液。本实施例方法制备的表面官能团包含-oh基团、-hn基团、c＝o基团、c＝c基团、c＝n基团、c＝o基团、c-n基团、b-n基团、c-h基团、b-o基团、c-b基团、c-o基团，这些丰富的表面官能团捕获光生电子、空穴后，具有较强的氧化还原能力，能够与空气中的有机污染物反应，实现净化空气的目的。同时，本实施例方法制备的碳量子点颗粒由于抑制了荧光共振能量转移过程，在固态时有很好的荧光产生。
27.更进一步地，光触媒颗粒2的表面也设置有碳量子点颗粒1，碳量子点颗粒1，分布于光触媒颗粒2的表面，优选地，间距小于10nm，这样能够在有限的光触媒颗粒2的表面上，设置更多的碳量子点颗粒1。一方面，较大的光触媒颗粒2表面能够设置更多的碳量子点颗粒1，从而提升空气净化效率。第二方面，碳量子点颗粒1与光触媒颗粒2接触处形成的活性位点数量较多，即碳量子点颗粒1的存在使得光触媒颗粒2中的电子和空穴复合减少，从而提升光触媒颗粒2的空气净化效率。第三方面，光触媒颗粒2与较小能带间隙的碳量子点颗粒1之间形成掺杂结构，这使得光触媒颗粒2的导带和价带之间形成新的亚稳态能级，照射在光触媒颗粒2上的光子可以先由价带跃迁到亚稳态能级，再由亚稳态能级跃迁到导带，这样，光子能量低于光触媒材料能带间隙的光子也能够在光触媒颗粒2上激发出产生光生电子和空穴，使得光触媒颗粒2充分利用了可见光，产生更多的光生电子和空穴，从而光催化反应更强，进一步提升光催化效率。制备时，先在柔性纤维3表面制备光触媒颗粒2，再制备碳量子点颗粒1，否则，粒径较小的碳量子点颗粒1附着在柔性纤维3表面，会使得粒径较大的光触媒颗粒2无法附着在柔性纤维3表面。
28.本发明过滤层结构可用于光催化空气净化装置，过滤层结构用于光催化空气净化装置时使用紫外-可见光源，紫外-可见光源至少包括150-600nm波段。
29.应用时，紫外-可见光由活性炭层4设置有柔性纤维3一侧照射，即光直接照射在柔性纤维3一侧，空气由活性炭层4远离柔性纤维3一侧流入。工作时，待净化空气由活性炭层4远离柔性纤维3一侧流入，经过活性炭层4过滤掉固体颗粒污染物，和部分气体污染物，再经
过柔性纤维3，经过时柔性纤维3摇摆，使得其表面的碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2与空气和光场充分地相互作用，产生光催化反应，净化后的空气由柔性纤维3远离活性炭层4一侧流出，净化完成。工作时，柔性纤维3的自由端远离固定端，使得柔性纤维3与活性炭层4所在平面垂直，这样，使得空气与其上的碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2之间的相互作用距离更长，相互作用更充分，同时摆动过程中，柔性纤维3之间的相对距离变化，使得光场更容易照射在柔性纤维3的表面，从而使得光场与碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2的相互作用更充分。本发明通过设置碳量子点颗粒1增强了对可见光的利用，从而提升光催化效率。具体地，一方面设置了能够吸收可见光的碳量子点颗粒1；另一方面，通过形成亚稳态能级使得光触媒颗粒2也能够吸收可见光；再一方面，通过碳量子点颗粒1和光触媒颗粒2之间的电子转移和形成局部电场，使得光触媒颗粒3产生的光生电子和光生空穴不容易复合，从而参与到光催化反应中。因此，本发明光催化过滤层结构的净化效率较高。
30.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。

技术特征：

1.一种基于碳量子点的光催化过滤层结构，其特征在于，所述结构包括碳量子点颗粒、光触媒颗粒、柔性纤维、活性炭层，所述柔性纤维的一端固定设置于所述活性炭层的一侧，所述柔性纤维的另一端为自由端，所述碳量子点颗粒和所述光触媒颗粒固定设置于所述柔性纤维的表面，所述活性炭层为多孔的活性炭棉。2.根据权利要求1所述的基于碳量子点的光催化过滤层结构，其特征在于，所述光触媒颗粒的表面也设置有所述碳量子点颗粒。3.根据权利要求2所述的基于碳量子点的光催化过滤层结构，其特征在于，所述碳量子点颗粒的粒径小于10nm。4.根据权利要求3所述的基于碳量子点的光催化过滤层结构，其特征在于，所述柔性纤维的直径为20-100μm。5.根据权利要求4所述的基于碳量子点的光催化过滤层结构，其特征在于，所述柔性纤维的长度大于0.5cm。6.根据权利要求5所述的基于碳量子点的光催化过滤层结构，其特征在于，所述光触媒颗粒的粒径为15-100nm。7.根据权利要求6所述的基于碳量子点的光催化过滤层结构，其特征在于，所述活性炭层的厚度大于2cm。8.根据权利要求1所述的基于碳量子点的光催化过滤层结构，其特征在于，所述柔性纤维为玻璃纤维或塑料纤维。9.根据权利要求8所述的基于碳量子点的光催化过滤层结构，其特征在于，所述光触媒颗粒的材料为二氧化钛。10.根据权利要求1-9所述的任一基于碳量子点的光催化过滤层结构，其特征在于，所述过滤层结构可用于光催化空气净化装置，所述过滤层结构用于光催化空气净化装置时使用紫外-可见光源。

技术总结

本申请涉及空气净化领域，具体提供了一种基于碳量子点的光催化过滤层结构。本发明申请的光催化过滤层结构包括碳量子点颗粒、光触媒颗粒、柔性纤维、活性炭层。柔性纤维的一端固定设置于活性炭层的一侧，柔性纤维的另一端为自由端，碳量子点颗粒和光触媒颗粒固定设置于柔性纤维的表面，活性炭层为多孔的活性炭棉。本发明通过在柔性纤维的表面固定设置碳量子点颗粒，碳量子点吸收可见光，在其内产生光生电子和光生空穴，光生电子和光生空穴被碳量子点颗粒表面的表面官能团捕获，与空气中的有机污染物反应，起到净化空气的作用，本发明充分利用了光源中的可见光，有效提升了光催化反应的强度，因此本发明光催化过滤层结构的空气净化效率较高。效率较高。效率较高。