CN101549277B - 光触媒装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光触媒装置，其包括：至少一个光触媒层及至少一个电极板；该至少一个光触媒层用以在吸收特定波长的光的能量后受激产生电子与空穴；该至少一个电极板分别和与其对应的光触媒层邻近设置，其分别用以在被提供一偏压后极化与其对应的该光触媒层受激产生的电子与空穴。所述光触媒装置经由设置电极，当在电极上提供偏压后，该电极可极化与其对应且相邻设置的光触媒层受激产生的电子与空穴，使得电子与空穴分离以避免电子与空穴自行复合湮灭，进而可有效保持电子及空穴分别和氧分子及水分子的作用活性，达成增进光触媒作用效应之目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种光触媒装置。
背景技术
光触媒具有抗菌、除臭、自洁等功能，其作用原理为：当以具适当波长的光照射光触媒时，光以能量的方式被光触媒吸收，进而激发光触媒本体产生电子与空穴。带负电荷的电子与光触媒表面的氧分子(O2)作用可产生具有强还原能力的超氧阴离子(·O2 -)，带正电荷的空穴与光触媒表面的水分子(H2O)作用可产生具有强氧化分解能力之氢氧自由基(·OH)；该氢氧自由基能够将有机物分解成二氧化碳与水。因此，光触媒经适当波长之光线照射后，在光触媒表面产生的超氧阴离子(·O2 -)及氢氧自由基(·OH)提供的强分解能力为光触媒作用的主要因素，其能够有效地分解光触媒表面接触的脏污、细菌、病毒等有机物、以及氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)等对人体有害气体，产生光触媒效应，进而达成光触媒除污杀菌之功效。
然而，当光触媒吸收光能量所产生的电子与空穴如果自行结合湮灭，该电子及空穴的光触媒作用活性丧失，使得其无法与光触媒表面的氧分子(O2)及水分子(H2O)作用产生具有强还原能力的超氧自由基及强氧化分解能力的氢氧自由基，造成光触媒作用效率下降。
发明内容
下面将以实施例说明一种光触媒装置，其可有效防止电子与空穴自行结合湮灭，从而可有效提高光触媒作用效率。
一种光触媒装置，其包括：至少一个光触媒层及至少一个电极板；该至少一个光触媒层用以在吸收特定波长的光的能量后受激产生电子与空穴；该至少一个电极板分别和与其对应的光触媒层邻近设置，其分别用以在被提供一偏压后极化与其对应的该光触媒层受激产生的电子与空穴。
相对于现有技术，所述光触媒装置经由设置电极板，当在电极板上提供偏压后，该电极板可极化与其对应且相邻设置的光触媒层受激产生的电子与空穴，使得电子与空穴分离以避免电子与空穴自行复合湮灭，进而可有效保持电子及空穴分别和氧分子及水分子的作用活性，达成增进光触媒作用效应之目的。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的光触媒装置的一工作状态示意图。
图2是图1所示光触媒装置的另一工作状态示意图。
图3是图1所示光触媒装置中的电极板与光触媒层相互接触设置的结构示意图。
图4是图3所示光触媒装置中的电极板与光触媒层之间设置有一个缓冲层的结构示意图。
图5是本发明第二实施例提供的光触媒装置的一工作状态示意图。
图6是图5所示光触媒装置的另一工作状态示意图。
图7是图5所示光触媒装置中的电极板与光触媒层相互接触设置的结构示意图。
图8是图7所示光触媒装置中的电极板与光触媒层之间设置有一个缓冲层的结构示意图。
图9是本发明第三实施例提供的光触媒装置的一工作状态示意图。
图10是本发明第四实施例提供的光触媒装置的一工作状态示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
参见图1及图2，本发明第一实施例提供的光触媒装置10，其包括：一个光触媒层11、一个电极板13及一个电源装置14。
光触媒层11的材料可为二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化钨(WO3)、三氧化二铁(Fe2O3)、钛酸硒(SeTiO3)、硒化镉(CdSe)、钽酸钾(KTaO3)、硫化镉(CdS)或五氧化二铌(Nb2O5)等光触媒材料。电极板13为一导电体，其邻近光触媒层11设置且与光触媒层11相互间隔。电源装置14与电极板13形成电连接，用以提供一偏压于电极板13上。当电极板13被电源装置14提供偏压后，其可将光触媒层11受激产生的电子与空穴极化以使得电子与空穴分离，从而可避免电子与空穴自行结合湮灭。本实施例中，电源装置14一交流电源。
如图1所示，电源装置14向电极板13提供一负偏压使得电极板13呈负电性；当外部光源产生特定波长之光(如图1中箭头所示)照射光触媒层11，光触媒层11产生带负电荷的电子与带正电荷的空穴。例如，当光触媒层11的材料为二氧化钛(吸收波长约为388纳米)时，该特定波长的光可为近紫外光或紫外光。呈负电性的电极板13吸引带正电荷的空穴而排斥带负电荷的电子以将电子与空穴极化，使得电子与空穴相互分离而分设于光触媒层11的相对的两侧。具体的，带正电荷的空穴会聚集在光触媒层11的邻近电极板13的一侧，而带负电荷的电子则会聚集在光触媒层11的远离电极板13的一侧；带负电荷的电子将与邻近光触媒层11的氧分子(O2)作用产生具有强还原能力的超氧阴离子(·O2 -)。
如图2所示，电源装置14向电极13提供一正偏压使得电极板13呈正电性；当外部光源产生特定波长之光(如图2中箭头所示)照射光触媒层11，光触媒层11产生带负电荷的电子与带正电荷的空穴。呈正电性的电极板13吸引带负电荷的电子而排斥带正电荷的空穴以将电子与空穴极化，使得电子与空穴相互分离而分设于光触媒层11的相对的两侧。具体的，带负电荷的电子会聚集在光触媒层11的邻近电极板13的一侧，而带正电荷的空穴则会聚集在光触媒层11的远离电极板13的一侧；带正电荷的空穴将与邻近光触媒层11的水分子(H2O)作用产生具有强氧化能力的氢氧自由基(·OH)。
本实施例中，由于电源装置14为一交流电源，其可周期性地向电极板13提供交替变化的负、正偏压，从而使得光触媒装置10可依序且交替产生超氧阴离子(·O2 -)及氢氧自由基(·OH)。
另外，如图3所示，本实施例中的电极板13与光触媒层11并不限于相互间隔设置，其也可与光触媒层11相互接触设置；从而该电极板13可兼作光触媒层11的支撑结构。在此情形下，光触媒层11可为一纳米光触媒膜，其可经由浸泡、涂布、烧结等方式附着在电极板13上。电极板13可为多孔洞滤网结构。
进一步的，如图4所示，还可在电极板13与光触媒层11之间设置一缓冲层15，从而缓冲层15夹设在电极板13与光触媒层11之间。该缓冲层15的材料可选用半导体或绝缘体。
参见图5及图6，本发明第二实施例提供的光触媒装置20，其包括：一个光触媒层21、一个光源22、一个电极板23及一个电源装置24。
光触媒层21的材料可为二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化钨(WO3)、三氧化二铁(Fe2O3)、钛酸硒(SeTiO3)、硒化镉(CdSe)、钽酸钾(KTaO3)、硫化镉(CdS)或五氧化二铌(Nb2O5)等光触媒材料。光源22电连接至电源装置24以由电源装置24向其提供电能，其可为一具单向导通特性的光源，例如发光二极管。其中，光源22可产生特定波长的光照射光触媒层21，以使光触媒层21吸收光能量后受激产生电子及空穴；例如，当光触媒层21的材料为二氧化钛(吸收波长约为388纳米)，光源22可为近紫外光发光二极管或紫外光发光二极管。电极板23为一导电体，其邻近光触媒层21设置且与光触媒层21相互间隔。电源装置24与电极板23形成电连接，用以提供一偏压于电极板23上。当电极板23被电源装置24提供偏压后，其可将光触媒层21受激产生的电子与空穴极化以使得电子与空穴相分离，从而可避免电子与空穴自行结合湮灭。本实施例中，电源装置24为一交流电源。
如图5所示，电源装置24向电极板23提供一负偏压使得电极23呈负电性而光源22处于导通状态；光源22产生特定波长之光(如图5中箭头所示)照射光触媒层21，光触媒层21产生带负电荷的电子与带正电荷的空穴。例如，当光触媒层21的材料为二氧化钛(吸收波长约为388纳米)时，该特定波长的光可为近紫外光或紫外光，相应的该光源22可选用近紫外光发光二极管或紫外光发光二极管。呈负电性的电极板23吸引带正电荷的空穴而排斥带负电荷的电子以将电子与空穴极化，使得电子与空穴相互分离而分设于光触媒层21的相对的两侧。具体的，带正电荷的空穴会聚集在光触媒层21的邻近电极板23的一侧，而带负电荷的电子则会聚集在光触媒层21的远离电极板23的一侧；带负电荷的电子将与邻近光触媒层21的氧分子(O2)作用产生具有强还原能力的超氧阴离子(·O2 -)；带负电荷的电子的数目会因与氧气分子作用而减少。
如图6所示，电源装置24转换为向电极板23提供一正偏压使得电极板23呈正电性而光源22处于截止状态，光源22不发光。此时，光触媒层21上仅存在先前受激产生的空穴与残留的少数未与氧气分子作用的电子。呈正电性的电极板23吸引该残留的少数未与氧气分子作用的电子而排斥该带正电荷的空穴，使得该残留的电子聚集在光触媒层21的邻近电极板23的一侧而该空穴则聚集在光触媒层21的远离电极板23的一侧。带正电荷的空穴将与邻近光触媒层21的水分子(H2O)作用产生具有强氧化能力的氢氧自由基(·OH)。
本实施例中，由于光源22因具单向导通特性而为间歇性发光，其能够有效地减少光源22的耗电量，并可延长光源的使用寿命。
另外，如图7所示，本实施例中的电极板23与光触媒层21并不限于相互间隔设置，其也可与光触媒层21相互接触设置；从而该电极板23可兼作光触媒层21的支撑结构。在此情形下，光触媒层21可为一纳米光触媒膜，其可经由浸泡、涂布、烧结等方式附着在电极板23上。电极板23可为多孔洞滤网结构等。
进一步的，如图8所示，还可在电极板23与光触媒层21之间设置一缓冲层25，从而缓冲层25夹设在电极板23与光触媒层21之间。该缓冲层25的材料可选用半导体或绝缘体。
参见图9，本发明第三实施例提供的一种光触媒装置30，其包括：一个光触媒层31、一个第一电极板331、一个第二电极板332以及一个电源装置34。
光触媒层31的材料可为二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化钨(WO3)、三氧化二铁(Fe2O3)、钛酸硒(SeTiO3)、硒化镉(CdSe)、钽酸钾(KTaO3)、硫化镉(CdS)或五氧化二铌(Nb2O5)等光触媒材料。第一电极板331为一导电体，其邻近光触媒层31设置且与光触媒层31相互间隔。第二电极板332为一导电体，其邻近光触媒层31设置且与光触媒层31相互间隔。本实施例中，电源装置34为一直流电源，第一电极板331与第二电极板332分别电连接至电源装置34的极性相反的两极。电源装置34用以提供极性相反的偏压于第一电极板331及第二电极板332上。当第一电极板331与第二电极板332被电源装置34提供极性相反的偏压后，其可将光触媒层31受激产生的电子与空穴极化以使得电子与空穴相分离，从而可避免电子与空穴自行结合湮灭。
如图9所示，电源装置34分别向第一电极板331及第二电极板332提供负偏压及正偏压，以使得第一电极板331及第二电极板332分别呈负电性及正电性。当外部光源产生特定波长之光(如图9中箭头所示)照射光触媒层31，光触媒层31产生带负电荷的电子与带正电荷的空穴。呈负电性的第一电极板331吸引带正电荷的空穴而排斥带负电荷的电子，呈正电性的第二电极板332吸引带负电荷的电子而排斥带正电荷的空穴，从而使得电子与空穴相互分离而分设于光触媒层31的相对的两侧。具体的，带正电荷的空穴会聚集在光触媒层31的邻近第一电极板331的一侧，而带负电荷的电子则会聚集在光触媒层31的邻近第二电极板332的一侧；带正电荷的空穴将与邻近光触媒层31的水分子(H2O)作用产生具有强氧化能力的氢氧自由基(·OH)，而带负电荷的电子将与邻近光触媒层31的氧分子(O2)作用产生具有强还原能力的超氧阴离子(·O2 -)；从而利用该氢氧自由基(·OH)及超氧阴离子(·O2 -)可达成除污杀菌之目的。
参见图10，本发明第四实施例提供的一种光触媒装置40，其包括：一个第一光触媒层411、一个第二光触媒层412、一个第一电极板431、一个第二电极板432及一个电源装置44。
光触媒层411及412的材料可为二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化钨(WO3)、三氧化二铁(Fe2O3)、钛酸硒(SeTiO3)、硒化镉(CdSe)、钽酸钾(KTaO3)、硫化镉(CdS)或五氧化二铌(Nb2O5)等光触媒材料。第一电极板431为一导电体，其邻近第一光触媒层411设置且与第一光触媒层411相互接触。第二电极板432为一导电体，其邻近第二光触媒层412设置且与第二光触媒层412相互接触。本实施例中，电源装置44为一直流电源，第一电极板431与第二电极板432分别电连接至电源装置44的极性相反的两极。电源装置34用以提供极性相反的偏压于第一电极板431及第二电极板432上。当第一电极板431与第二电极板432被电源装置44提供极性相反的偏压后，其可分别将第一光触媒层411及第二光触媒层412受激产生的电子与空穴极化以使得电子与空穴相分离，从而可避免电子与空穴自行结合湮灭。
如图10所示，电源装置44分别向第一电极板431及第二电极板432提供负偏压及正偏压，以使得第一电极板431及第二电极板432分别呈负电性及正电性。当外部光源产生特定波长之光(如图10中箭头所示)照射第一光触媒层411及第二光触媒层412，第一光触媒层411及第二光触媒层受激产生带负电荷的电子与带正电荷的空穴。呈负电性的第一电极板431吸引第一光触媒层411受激产生的带正电荷的空穴而排斥带负电荷的电子，从而使得电子与空穴相互分离而分设于第一光触媒层411的相对的两侧；带负电荷的电子与邻近第一光触媒层411的氧分子(O2)作用产生具有强还原能力的超氧阴离子(·O2 -)。呈正电性的第二电极板432吸引第二光触媒层412受激产生的带负电荷的电子而排斥带正电荷的空穴，从而使得电子与空穴相互分离而分设于第二光触媒层412的相对的两侧；带正电荷的空穴与邻近第二光触媒层412的水分子(H2O)作用产生具有强氧化能力的氢氧自由基(·OH)。
本发明以上实施例提供的光触媒装置10、20、30及40，其经由在电极板13、23、331、332、431及432提供偏压以极化与其对应且相邻设置的光触媒层11、21、31、411及412受激产生的电子与空穴，使得电子与空穴分离以避免电子与空穴自行复合湮灭，进而可有效保持电子及空穴分别和氧分子及水分子的作用活性，达成增进光触媒作用效应之目的。
另外，本发明实施例中的光触媒层11、21、31、411及412还均可为多层结构。具体的，光触媒层可包括一个基底层及一纳米光触媒膜，该纳米光触媒膜可经由浸泡、涂布、烧结等方式附着在基底层上。该基底层可为一多孔洞滤网结构等。进一步的，当该基底层为多孔性滤网结构，纳米光触媒膜可附着在基底层的孔壁上，从而所对应的光触媒层也可为多孔性滤网结构。
再者，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，如将第一及第二实施例的电源装置变更为直流电源、将第四实施例的电源装置变更为交流电源、将第一及第二实施例中的光源应用于第三及第四实施例、变更光触媒层的材料及结构、及/或变更电极板的形状等以用于本发明等设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种光触媒装置，其包括：
至少一个光触媒层，用以在吸收该光触媒装置的外部光源产生的特定波长的光的能量后受激产生电子与空穴；
至少一个电极板，其分别和与其对应的光触媒层邻近设置，该至少一个电极板分别用以在被提供一偏压后极化与其对应的该光触媒层受激产生的电子与空穴，使得电子与空穴相互分离而分设于光触媒层的相对的两侧，并分别与光触媒层两侧的氧分子和水分子进行反应；以及
一电源装置，该电源装置为一个交流电源，其用以向该至少一个电极板提供该偏压，所述光源具有单向导通特性并且电连接至所述电源装置，所述电源装置控制光源间歇性发光。
2.如权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于该至少一个电极板和与其对应的光触媒层间隔设置。
3.如权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于该至少一个电极板和与其对应的光触媒层接触设置。
4.如权利要求3所述的光触媒装置，其特征在于该至少一个光触媒层为附着在与其对应的电极板上的纳米光触媒膜。
5.如权利要求4所述的光触媒装置，其特征在于该至少一个电极板为多孔性滤网结构。
6.如权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于该至少一个电极板的数目为两个，该至少一个光触媒层设置在该两个电极板之间。
7.如权利要求6所述的光触媒装置，其特征在于该至少一个光触媒层的数目为多个，该多个光触媒层相互间隔设置。
8.如权利要求1所述的光触媒装置，其特征在于在该至少一个电极板和与其对应的该光触媒层之间还夹设一个缓冲层。
9.如权利要求8所述的光触媒装置，其特征在于该缓冲层为绝缘体或半导体。
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