НАНОФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННАЯ ПОДЛОЖКА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК B01J37/08 B01J32/00 B01J35/04 B01J37/02 B01J21/06 B01J27/24 B01D53/86 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к области устройств для снижения содержания загрязняющих веществ в газообразной смеси.

В частности, данное изобретение относится к нанофункционализированной подложке, которая пригодна, в частности, для установки в воздушный фильтр.

Предпосылки создания изобретения

Развитие и распространение человеческой деятельности в течение многих лет привело к все возрастающему количеству загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе, которым мы дышим.

В частности, внимание все больше сосредоточивается на действии, которое выбросы загрязняющих веществ, производимых, например, производственными системами и транспортными средствами, оказывают на окружающую среду и экосистемы.

Однако многие исследования показали, что уровень загрязняющих веществ, которые скапливаются в замкнутом пространстве, может быть равен уровню, присутствующему в окружающей среде, или даже превышать его.

Веществами, которые присутствуют в самых высоких количествах, обычно являются оксиды азота (NO_x) и летучие органические соединения (ЛОС), которые могут происходить и из обычно применяемых бытовых объектов, включая чистящие средства, дезодоранты, системы кондиционирования воздуха и предметы интерьера.

Необходимость обеспечить пригодность для жизни внутренних, бытовых или рабочих помещений, без возникновения опасности для здоровья их обитателей, привела к исследованию фильтрующих систем, способных удалять все вещества, которые могли бы быть опасными для здоровья человека, или по меньшей мере способных сделать эти вещества безопасными.

В частности, известно, что в присутствии кислорода и воды фотокаталитические соединения, такие как диоксид титана, способны эффективно разрушать и окислять вышеупомянутые загрязняющие вещества, присутствующие в воздухе.

Именно эта отличительная особенность привела к тому, что диоксид титана стал соединением, которое особенно используют в области производства воздушных фильтров, так как он способен заметно улучшить качество воздуха, которым дышат в бытовых и рабочих помещениях.

В частности, диоксид титана в форме анатаза остается наиболее обещающим фото каталитически активным полупроводником в этой области, и были предприняты многочисленные усилия в попытке оптимизировать способы производства и применения этой конкретной кристаллической формы.

Например, превосходные результаты в этой области были получены с использованием способа производства водной дисперсии наночастиц диоксида титана, в соответствии с тем, что раскрыто в документе WO 2007088151 автора настоящей заявки на изобретение.

Более подробно, диоксид титана обладает фотокаталитическими свойствами, которые можно активировать, если осветить это соединение ультрафиолетовым светом, например, с длиной волны в диапазоне от 300 до 390 нм; и, следовательно, только 5% излучения видимого света способно его активировать.

Диоксид титана поглощает падающие фотоны, что вызывает образование радикалов, которые способны окислять многие вещества, загрязняющие окружающую среду, таким образом, делая их безопасными.

Из этого следует, что этот тип устройства обладает очень низким уровнем эффективности, если не использовать его в сочетании с ультрафиолетовыми лампами, специально сконструированными и выпущенными для осуществления функции активирования диоксида титана.

В последние десятилетия проблема недостаточного поглощения видимого света была решена путем использования допирующих агентов, которые способны улучшить фотокаталитическую эффективность TiO₂ в видимой области. Некоторыми допирующими агентами, которые были исследованы, являются, например, благородные металлы, редкоземельные элементы, несколько переходных металлов (Cu, Ni, Со, Mn, Fe, Cr и т.д.) и неметаллы (такие как С, S, F и N). В частности, интересные результаты были получены с использованием TiO₂, допированного азотом, который изменяет энергию запрещенной зоны диоксида титана, увеличивая его фотокаталитическую эффективность в видимой области.

Пример, касающийся фотокаталитического применения допированного азотом диоксида титана в видимой области, приведен в статье М. Tahir et al. (М. Tahir, В. Tahir, Applied Surface Science 377 (2016) 244-252), в которой описана керамическая подложка с сотообразной структурой, покрытая допированным азотом TiO₂. Однако эту подложку с нанесенным покрытием использовали исключительно для исследования эффективности фотокаталитического восстановления СО₂ до СО и СН₄ при облучении видимым светом, в присутствии молекулярного водорода, в то время как применения, относящиеся к окислению (также проводимому в видимой области) таких загрязняющих веществ, как оксиды азота (NO, NO_x, NO₂) и летучие органические соединения (ЛОС), не были описаны.

Кроме того, описанный в статье М. Tahir et al. способ получения подложки с нанесенным покрытием не дает возможности получить продукт, который можно использовать в промышленном масштабе. Фактически, путем применения способа, описанного в этой статье, получают подложку, покрытую значительным количеством рыхлого допированного порошка TiO₂, не прилегающего к поверхности. Это ограничивает возможность ее введения в устройство для обработки воды и воздуха, и, таким образом, ее применение в крупном масштабе. Фактически, как показано в сравнительном эксперименте, описанном в разделе примеров, подложка, на которую нанесено покрытие по способу, описанному M. Tahir et al., перед применением требует стадии промывки, чтобы убрать допированный порошок диоксида титана, не приставший к поверхности, что приводит к значительным потерям и отходам продукта. Кроме того, промытая подложка проявляет пониженную фотокаталитическую эффективность в отношении окисления загрязняющих веществ (особенно оксидов азота) в видимой области.

В этом контексте техническая задача, лежащая в основе данного изобретения, заключается в том, чтобы предложить нанофункционализированную подложку, которую впоследствии можно установить внутри воздушного фильтра, и которая не имеет по меньшей мере некоторых недостатков существующего уровня техники, приведенных выше в данном описании.

Краткое описание изобретения

Определенная техническая задача и указанные цели достигаются посредством нанофункционализированной подложки, имеющей технические характеристики, указанные в одном или более пунктов прилагаемой формулы изобретения.

В соответствии с данным изобретением, показана нанофункционализированная подложка, которая включает рабочую поверхность, выполненную для приема наночастиц, и покрытия из фотокаталитических наночастиц, наносимого на рабочую поверхность.

Покрытие из фотокаталитических наночастиц включает диоксид титана, допированный азотсодержащим допирующим агентом.

Краткое описание чертежей

Дополнительные характеристики и преимущества данного изобретения станут более понятными из описательного и, таким образом, неограничивающего описания предпочтительного, но не исключающего другие возможности воплощения нанофункционализированной подложки, проиллюстрированного на сопровождающих чертежах, в которых:

- Фиг. 1 изображает нанофункционализированную подложку по данному изобретению;

- Фиг. 2 изображает деталь нанофункционализированной подложки;

- Фиг. 3 представляет блок-схему способа производства нанофункционализированной подложки;

- Фиг. 4 представляет собой график, изображающий тенденцию уменьшения количества загрязняющих веществ (NO, NO_x, NO₂) при облучении образца, приготовленного в соответствии с Примером D, где указанное облучение проводят посредством светодиода с холодным белым светом (COOL WHITE LED), мощностью 25 Вт;

- Фиг. 5 представляет собой график, изображающий тенденцию уменьшения количества загрязняющих веществ (NO, NO_x, NO₂) при облучении образца, приготовленного в соответствии с Примером L, где указанное облучение проводят посредством светодиода с холодным белым светом, мощностью 25 Вт;

- Фиг. 6 представляет собой график, изображающий тенденцию уменьшения количества загрязняющих веществ (NO, NO_x, NO₂) при облучении образца, приготовленного в точном соответствии со способом существующего уровня техники, описанным для Примера М, где указанное облучение проводят посредством светодиода с холодным белым светом, мощностью 25 Вт;

На Фиг. 1 нанофункционализированную подложку, которую можно установить, например, внутри воздушного фильтра, в целом обозначают цифрой 1.

Подробное описание изобретения

Термин «нанофункционализированный» используют для того, чтобы показать, что подложка имеет поверхность с нанесенным покрытием, предпочтительно однородно нанесенным покрытием, из наночастиц, которые обладают фотокаталитическими свойствами, пригодными для облегчения разложения загрязняющих веществ, главным образом посредством процессов окисления.

Подложка 1 включает рабочую поверхность 2 и покрытие 3 из фотокаталитических наночастиц, выполненное для нанесения на рабочую поверхность 2.

Нанесение покрытия 3 из наночастиц реализуют путем нанесения суспензии фотокаталитически активных наночастиц, предпочтительно содержащей наночастицы диоксида титана, допированные азотом, в которой наночастицы находятся в кристаллической форме анатаза.

Перед нанесением на подложку 2 покрытие 3 из наночастиц допируют с помощью азотсодержащего допирующего агента.

Другими словами, на рабочую поверхность 2 наносят допированный азотом диоксид титана в форме наночастиц.

В частности, предшественник, используемый в качестве азотсодержащего допирующего агента, предпочтительно выбирают из аминов, амидов, органических солей аммония и неорганических солей аммония.

Присутствие азота позволяет изменить энергию запрещенной зоны диоксида титана, а конкретно уменьшить ее, что дает возможность активировать его фотокаталитические свойства с использованием широкого диапазона спектра видимого света, а не только очень ограниченного ультрафиолетового компонента, что происходит, например, в устройствах существующего уровня техники.

Предпочтительно рабочую поверхность 2 изготавливают из керамического материала, который, как оказалось, особенно пригоден том отношении, что он обеспечивает инертную и очень стойкую подложку, таким образом гарантируя длительный срок службы устройств, в которых ее используют.

Еще более предпочтительно, для рабочей поверхности используют по меньшей мере одно из следующих веществ: кордиерит, муллит и/или оксид алюминия.

С целью обеспечения оптимальных результатов по фильтрации и максимального увеличения эффективности подложки 1, рабочую поверхность 2 реализуют в виде матрицы с тонкими керамическими стенками, которые определяют сотообразную структуру, образованную множеством параллельных каналов, которые открыты на обоих концах, что позволяет проходить газообразной смеси. Эта сотообразная рабочая поверхность (также называемая сотообразной поверхностью) отличается количеством ячеек на квадратный дюйм (cells per square inch, CSPI) от 40 до 120, предпочтительно от 50 до 100, более предпочтительно от 50 до 70, еще более предпочтительно от 55 до 65. Другими словами, рабочая поверхность 2 имеет множество каналов, на каждый из которых нанесено покрытие 3 из наночастиц, что определяет множество активных в отношении окисления участков, на которых, посредством активации фотокаталитических свойств наночастиц оксида титана, допированного азотсодержащим допирующим агентом, при участии падающего фотона, адсорбируют и разлагают загрязняющие вещества из окружающей среды, производя очистку газообразной смеси, в частности воздуха, проходящей по каналам рабочей поверхности 2.

Например, оксиды азота подвергаются разложению до нитратов, в то время как летучие органические соединения окисляются с образованием углеродистых остатков и/или диоксида углерода.

Побочные продукты, полученные при фильтрации воздуха, можно легко смыть с рабочей поверхности 2, полностью восстанавливая ее рабочее состояние.

Таким образом, нанофункционализированная подложка 1 по данному изобретению оказывается особенно пригодной для установки в устройстве для уменьшения содержания загрязняющих веществ в газообразной смеси, например, в воздухе.

Способ 10 получения нанофункционализированной подложки 1 в соответствии с тем, что описано выше, также составляет объект данного изобретения.

Способ 10 включает следующие стадии: синтез 11 водной суспензии наночастиц диоксида титана; добавление 12 к суспензии азотсодержащего допирующего агента с получением суспензии наночастиц и азотсодержащего допирующего агента; нанесение 13 данной суспензии на рабочую поверхность 2 с получением нанофункционализированной подложки 1; осуществление 14 цикла нагрева подложки 1.

Предпочтительно на стадии 11 водную суспензию наночастиц диоксида титана в форме анатаза получают в соответствии с тем, что раскрыто в патенте WO 2007088151. В частности, алкоксид титана подвергают реакции в воде, при нагревании, в присутствии минеральной кислоты и неионного поверхностно-активного вещества.

Исходный материал для проведения синтеза водной суспензии наночастиц диоксида титана в форме анатаза выбирают из веществ группы алкоксидов титана. В частности, алкоксид может быть выбран из метоксида титана, этоксида титана, н-пропоксида титана, изопропоксида титана, н-бутоксида титана и изобутоксида титана. В одном из предпочтительных воплощениий изобретения выбранным алкоксидом титана является изопропоксид титана (ТИП), так как он является более дешевым и более эффективно реагирует в реакционных условиях данного синтеза.

Примерами неионных поверхностно-активных веществ, которые могут быть использованы, являются неионизируемые простые эфиры, сложные эфиры и эфиры алкоксикислот. Для данного синтеза наиболее предпочтительным является применение Triton Х-100 (ТХ-100).

Под минеральной кислотой подразумевают кислоту, выбранную из следующих соединений: соляной кислоты, азотной кислоты, серной кислоты, хлорной кислоты, бромистоводородной кислоты и йодистого водорода. В одном из предпочтительных воплощений изобретения применяемую минеральную кислоту выбирают из галогеноводородных кислот, в частности, соляную кислоту.

Мольное отношение алкоксид титана/минеральная кислота находится в диапазоне от 0,005 до 15, предпочтительно от 5 до 6.

Диапазон реакционных температур составляет от 15 до 95°С, предпочтительно от 45 до 55°С, а время реакции составляет от 12 до 72 часов, а предпочтительно равно 24 часам.

Полученный продукт представляет собой водную суспензию наночастиц TiO₂ в фазе анатаза, с размерами в диапазоне от 30 до 50 нм, измеренными методами, известными в данной области, такими как сканирующая электронная микроскопия с эмиссионной электронной пушкой (FEG-SEM), трансмиссионная электронная микроскопия (ТЕМ) и динамическое рассеяние света (DLS). Коэффициент полидисперсности наночастиц, измеренный с помощью метода динамического рассеяния света, составляет менее 0,3, предпочтительно в диапазоне от 0,21 до 0,29, а более предпочтительно от 0,216 до 0,286. Концентрация наночастиц TiO₂, суспендированных в воде, находится в диапазоне от 1 до 10% масс., предпочтительно от 2 до 8% масс.

Суспензия наночастиц является стабильной в течение очень длительных периодов времени, без появления явлений коагуляции и конгломерации. Впоследствии, на стадии 12, к указанной водной суспензии наночастиц диоксида титана добавляют азотсодержащий допирующий агент; при этом упомянутый азотсодержащий допирующий агент можно выбрать из следующих веществ: аминов, амидов, органических солей аммония и неорганических солей аммония.

В качестве неограничивающего примера ниже приведены некоторые возможные технологические параметры для получения допированной суспензии.

Пример А: 5,00 г концентрированной соляной кислоты, 7,50 г ТХ-100 и воду до общей массы 750,00 г смешивают в 2 л реакторе и нагревают до 50°С. Добавляют 50,00 г изопропоксида титана (ТИП), и наблюдают образование белого осадка. Через 24 часа образуется стабильный прозрачный золь диоксида титана.

Пример В: 97,81 г водной суспензии диоксида титана, полученной как описано в Примере А, и 2,00 г диэтаноламина смешивают в 200 мл химическом стакане, температуру устанавливают на 25°С, и через восемнадцать часов перемешивания получают опалесцирующий белый раствор, с уменьшением по массе диоксида титана на 5,87% масс. и уменьшением по массе азота на 0,27% масс.

Пример С: 97,00 г водной суспензии диоксида титана, полученной как описано в Примере А, и 4,07 г диаммоний цитрата смешивают в 200 мл химическом стакане, температуру устанавливают на 25°С, и через двадцать четыре часа перемешивания получают опалесцирующий белый раствор, с уменьшением по массе диоксида титана на 5,76% масс. и уменьшением по массе азота на 0,49% масс.

Пример D: 90,0 г суспензии, полученной как описано в Примере С, наносили методом струйного облива на подложку из керамического материала с сотообразной структурой, размером 150×150×20 см. Упомянутая технология включает нанесение суспензии на подложку; при этом указанную суспензию отбирают из емкости с помощью насоса, а указанную подложку помещают на подставку, чтобы избыток материала можно было собрать и использовать повторно.

Подготовленную таким образом подложку подвергали действию цикла обжига в электрической печи непрерывного действия при 500°С в течение трех часов, при скорости транспортера 4 м/ч. После обжига количество нанесенного допированного диоксида титана составляло 5,8 г. Из этой подложки был получен образец с размерами 77×77×20 см, и с этим образцом был проведен тест на уменьшение содержания загрязняющих веществ (для NO, NO_x, NO₂), с использованием в качестве источника света светодиода с холодным белым светом, мощностью 25 Вт (результаты приведены на Фиг. 4).

Пример Е: 97,00 г водной суспензии диоксида титана, полученной как описано в Примере А, и 4,00 г гидроксида тетрабутиламмония смешивают в 200 мл химическом стакане, температуру устанавливают на 25°С, и через двадцать четыре часа перемешивания получают опалесцирующий белый раствор, с уменьшением по массе диоксида титана на 5,76% масс. и уменьшением по массе азота на 0,085% масс.

Пример F: 97,00 г водной суспензии диоксида титана, полученной как описано в Примере А, и 6,00 г гидроксида тетрабутиламмония смешивают в 200 мл стакане, температуру устанавливают на 25°С; через двадцать четыре часа перемешивания получают опалесцирующий белый раствор, с уменьшением по массе диоксида титана на 5,65% масс. и уменьшением по массе азота на 0,125% масс.

Пример G: 49,49 г водной суспензии диоксида титана, полученной как описано в Примере А, и 0,53 г мочевины смешивают в 200 мл химическом стакане, температуру устанавливают на 25°С; через двадцать четыре часа перемешивания получают опалесцирующий белый раствор, с уменьшением по массе диоксида титана на 5,93% масс. и уменьшением по массе азота на 0,498% масс.

Пример Н: 49,49 г водной суспензии диоксида титана, полученной как описано в Примере А, и 1,06 г мочевины смешивают в 200 мл химическом стакане, температуру устанавливают на 25°С, и через один час перемешивания получают опалесцирующий белый раствор, с уменьшением по массе диоксида титана на 5,87% масс. и уменьшением по массе азота на 0,980% масс.

Пример I: 86,21 г водной суспензии диоксида титана, полученной как описано в Примере А, и 13,79 г триэтаноламина смешивают в 200 мл химическом стакане, температуру устанавливают на 25°С, и через четыре часа смешивания получают опалесцирующий белый раствор, с уменьшением по массе диоксида титана на 5,17% масс. и уменьшением по массе азота на 1,29% масс.

Пример L: 125,0 г суспензии, полученной, как это описано в Примере I, наносили методом струйного облива на подложку из керамического материала, с сотообразной структурой, размером 150×150×20 см. Упомянутая процедура включает нанесение суспензии на подложку; при этом суспензию отбирают из емкости с помощью насоса, и упомянутую подложку помещают на подставку, чтобы избыток материала можно было собрать и использовать повторно.

Приготовленную таким образом подложку подвергали действию цикла обжига в электрической печи непрерывного действия, при 500°С, в течение 3 часов, при скорости транспортера 4 м/ч. После обжига количество нанесенного допированного диоксида титана составляло 8,2 г. Из этой подложки был получен образец с размерами 77×77×20 см, и на этом образце был проведен тест на снижение содержания загрязняющих веществ (для NO, NO_x, NO₂), с использованием в качестве источника света светодиода с холодным белым светом мощностью 25 Вт (результаты приведены на Фиг. 5).

Пример М (эксперимент сравнения):

Золь TiO₂, содержащий мочевину в качестве источника азота, был синтезирован с точным воспроизведением стадий, описанных в Разделе 2.1 статьи М. Tahir et al. (М. Tahir, В. Tahir, Applied Surface Science 377 (2016) 244-252). Затем упомянутый золь наносили методом струйного облива на подложку из керамического материала с сотообразной структурой, размером 150×150×20 см. Подготовленную таким образом подложку подвергали действию цикла обжига в электрической печи непрерывного действия, при 500°С, в течение 3 часов, при скорости транспортера 4 м/ч. После обжига количество нанесенного допированного диоксида титана составляло 2,88. Однако после этой стадии была обнаружена проблема, относящаяся к присутствию значительного количества рыхлого порошка допированного диоксида титана, не приставшего к поверхности подложки.

По этой причине перед проведением анализа пришлось провести промывку водой, чтобы удалить рыхлый порошок и предотвратить его распространение в окружающей среде (что потенциально является опасным для здоровья операторов), а также обеспечить лучшую управляемость подложкой. Процедура промывки приводит к удалению большого количества не приставшего порошка допированного диоксида титана, что приводит к значительным потерям и отходам продукта. Из этой промытой подложки был получен образец с размерами 77×77×20 см, и с этим образцом был проведен тест на снижение количества загрязняющих веществ (для NO, NO_x, NO₂), с использованием в качестве источника света светодиода с холодным белым светом мощностью 25 Вт (результаты приведены на Фиг. 6).

Эти результаты сравнивали с показанными на Фиг. 4 результатами, полученными с нанофункционализированной подложкой по данному изобретению, изготовленной как это описано в Примере D. График, изображающий тенденцию изменения содержания загрязняющих веществ на Фиг. 6, дает выпуклую зависимость, а не вогнутую, как в случае графика на Фиг. 4. Таким образом, из сравнения кривых на этих двух графиках можно заметить, что фотокаталитическая эффективность промытой подложки, полученной в соответствии со способом существующего уровня техники, оказывается более слабой, чем фотокаталитическая эффективность подложки по данному изобретению. Фактически, в случае подложки, полученной способом существующего уровня техники, после 50 минут облучения концентрация NO и NO_x находится на уровне примерно 300 объемных частей на миллиард, в то время как в случае нанофункционализированной подложки по данному изобретению оказывается, что эта концентрация находится на уровне примерно 200 объемных частей на миллиард.

Стадия 13 нанесения включает первый этап 13а нанесения суспензии наночастиц диоксида титана и азотсодержащего допирующего агента на рабочую поверхность 2, например, посредством процесса напыления, и второй этап 13b направления потока сжатого воздуха на рабочую поверхность 2, для удаления избытка нанесенного покрытия 3 из наночастиц.

Альтернативно, допированную суспензию можно наносить посредством окунания или струйного облива, или же методами нанесения, типичными для керамических технологий, такими как вуалевое глазурование, шелкография, глазурование в колоколе, аэрография или цифровое напыление.

В частности, после выдержки подложки 1 в течение некоторого периода времени проводят цикл нагрева, на стадии 14 воздействия на подложку циклом нагрева, нагревая ее до температуры от 490°С до 510°С.

В ходе цикла нагрева (также называемого стадией обжига) происходит допирование диоксида титана азотом из азотсодержащего допирующего агента. Допирование TiO₂ азотом происходит в ходе стадии обжига, и азот проникает в наночастицы TiO₂, размещаясь в положениях замещения внутри кристаллической решетки TiO₂ и/или в междоузлиях, то есть внутри кристаллических плоскостей решетки TiO₂.

В случае, когда применяют стационарную печь, цикл нагрева предпочтительно проводят с коэффициентом изменения температуры 50°С/ч, в течение десяти часов, достигая максимальной температуры примерно 500°С. Однако в случае, когда применяют печь непрерывного действия, можно осуществить 3-часовой цикл нагрева, со стадией предварительного нагрева, стадией нагревания при 500°С и стадией охлаждения, при скорости перемещения примерно 4 м/ч.

В целом можно отметить, что цикл нагрева имеет продолжительность по существу в диапазоне от 2 до 11 часов, в зависимости от типа применяемого нагревательного устройства.

Дополнительным объектом данного изобретения является способ снижения содержания загрязняющих веществ в газообразной смеси, начиная со стадии размещения устройства для снижения содержания загрязняющих веществ; где указанное устройство включает по меньшей мере одну нанофункционализированную подложку 1, в соответствии с тем, что описано выше, и, возможно, источник видимого света.

Способ дополнительно включает воздействие на устройство потоком газообразной смеси и освещение по меньшей мере одной нанофункционализированной подложки 1 лучом видимого света.

Посредством освещения подложки можно активировать фотокаталитические свойства покрытия 3 из наночастиц, присутствующего на рабочей поверхности. Благодаря особому способу производства, применяемому для получения подложки 1, оказывается возможным активировать фотокаталитические свойства диоксида титана широким диапазоном длин волн в области видимого света, а не только компонентом ультрафиолетовой области спектра.

Таким образом, если поток воздуха проходит через нанофункционализированную подложку 1, содержащиеся в нем загрязняющие вещества окисляются, тем самым обеспечивая улучшение качества воздуха, выходящего из устройства. Предпочтительно конкретный способ получения нанофункционализированной подложки 1 дает возможность получить оптимальное допирование диоксида титана. Кроме того, присутствие азота обеспечивает активацию фотокаталитических свойств наночастиц диоксида титана также и фотонами, имеющими длины волн в видимой области света, что дает возможность максимизировать фотокаталитическую активность нанофункционализированной подложки 1.

Данное изобретение относится к области устройств для снижения содержания загрязняющих веществ в газообразной смеси. Описан способ (10) получения нанофункционализированной подложки (1), включающий следующие стадии: проведение синтеза (11) водной суспензии наночастиц диоксида титана в фазе анатаза, с размерами в диапазоне от 30 до 50 нм посредством реакции алкоксида титана в воде в присутствии минеральной кислоты и неионного поверхностно-активного вещества при температуре от 45 до 55°С и времени реакции от 12 до 72 часов; добавление (12) к этой суспензии азотсодержащего допирующего агента, выбранного из группы, состоящей из диэтаноламина, диаммоний цитрата, гидроксида тетрабутиламмония и триэтаноламина, с получением суспензии наночастиц и азотсодержащего допирующего агента; нанесение (13) указанной суспензии на рабочую поверхность (2), формируя покрытие (3) из фотокаталитических наночастиц, с получением нанофункционализированной подложки (1), где указанная рабочая поверхность (2) имеет сотообразную структуру, которая определяет множество каналов, пригодных для прохождения газообразной смеси, и характеризуется числом ячеек на квадратный дюйм от 40 до 120; проведение (14) цикла нагрева указанной нанофункционализированной подложки (1), где цикл нагрева проводят путем нагревания нанофункционализированной подложки (1) до температуры от 490°С до 510°С и продолжительность цикла нагрева находится в диапазоне от 2 до 11 часов. Технический результат – создание нанофункционализированной подложки, которая пригодна, в частности, для установки в воздушный фильтр для снижения содержания загрязняющих веществ. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ (10) получения нанофункционализированной подложки (1), включающий следующие стадии:

- проведение синтеза (11) водной суспензии наночастиц диоксида титана в фазе анатаза, с размерами в диапазоне от 30 до 50 нм посредством реакции алкоксида титана в воде в присутствии минеральной кислоты и неионного поверхностно-активного вещества при температуре от 45 до 55°С и времени реакции от 12 до 72 часов;

- добавление (12) к этой суспензии азотсодержащего допирующего агента, выбранного из группы, состоящей из диэтаноламина, диаммоний цитрата, гидроксида тетрабутиламмония и триэтаноламина, с получением суспензии наночастиц и азотсодержащего допирующего агента;

- нанесение (13) указанной суспензии на рабочую поверхность (2), формируя покрытие (3) из фотокаталитических наночастиц, с получением нанофункционализированной подложки (1), где указанная рабочая поверхность (2) имеет сотообразную структуру, которая определяет множество каналов, пригодных для прохождения газообразной смеси, и характеризуется числом ячеек на квадратный дюйм от 40 до 120;

- проведение (14) цикла нагрева указанной нанофункционализированной подложки (1), где цикл нагрева проводят путем нагревания нанофункционализированной подложки (1) до температуры от 490°С до 510°С и продолжительность цикла нагрева находится в диапазоне от 2 до 11 часов.

2. Способ по п. 1, в котором указанная стадия (13) нанесения указанной суспензии на рабочую поверхность (2) включает следующие этапы:

- напыление (13а) указанной допированной суспензии на указанную рабочую поверхность (2);

- подачу (13b) потока сжатого воздуха на рабочую поверхность (2), тем самым облегчая удаление избыточной части суспензии с рабочей поверхности (2).

3. Способ по п. 1 или 2, в котором сотообразная структура характеризуется числом ячеек на квадратный дюйм от 50 до 100.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором сотообразная структура характеризуется числом ячеек на квадратный дюйм от 50 до 70.

5. Способ по п. 1 или 2, в котором сотообразная структура характеризуется числом ячеек на квадратный дюйм от 55 до 65.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором рабочая поверхность (2) изготовлена из керамического материала.

7. Способ по п. 6, в котором керамический материал представляет собой по меньшей мере один из следующих материалов: кордиерит, муллит и/или оксид алюминия.

8. Нанофункционализированная подложка (1) для снижения содержания загрязняющих веществ в газообразной смеси, получаемая способом по любому из предшествующих пунктов, включающая рабочую поверхность (2) и покрытие (3) из фотокаталитических наночастиц, нанесенное на указанную рабочую поверхность (2), где указанная рабочая поверхность (2) имеет сотообразную структуру и указанное покрытие (3) из фотокаталитических наночастиц содержит диоксид титана, допированный азотом, происходящим из азотсодержащего допирующего агента, выбранного из группы, состоящей из диэтаноламина, диаммоний цитрата, гидроксида тетрабутиламмония и триэтаноламина.

9. Устройство для снижения содержания загрязняющих веществ в газообразной смеси, включающее по меньшей мере одну нанофункционализированную подложку (1) по п. 8 и источник видимого света.

10. Способ снижения содержания загрязняющих веществ в газообразной смеси, включающий следующие стадии:

- обеспечение устройства для снижения содержания загрязняющих веществ, включающего по меньшей мере одну нанофункционализированную подложку, по п. 9 и источник видимого света;

- воздействие на указанное устройство для снижения содержания загрязняющих веществ потоком газообразной смеси;

- освещение по меньшей мере одной нанофункционализированной подложки (1) лучом видимого света от источника видимого света, который входит в состав данного устройства.