羅志昕楊 國蔣美玲

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州　450002）

光催化劑在主動凈化式室內(nèi)空氣凈化器中的應(yīng)用

羅志昕楊 國蔣美玲

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)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(nèi)空氣凈化器發(fā)展格局，并重點梳理了光催化劑在空氣凈化器中應(yīng)用技術(shù)的整體發(fā)展脈絡(luò)，經(jīng)歷了從低效單一的光源逐步發(fā)展為高效能耗更低的可見光源，從單獨的光催化模塊發(fā)展到多項技術(shù)復(fù)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(jié)能的方向快速發(fā)展。

光催化劑；室內(nèi)空氣凈化器；主動凈化

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)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(jìn)入室內(nèi)，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，現(xiàn)代人正進(jìn)入以“室內(nèi)空氣污染為標(biāo)志的第三污染時期”［1］?，F(xiàn)代人80%以上的時間在室內(nèi)度過，人們呼吸的空氣絕大部分來自室內(nèi)，室內(nèi)空氣質(zhì)量直接影響人們的健康，因此，人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量日益重視起來。針對室內(nèi)空氣污染，采用室內(nèi)空氣凈化器可以有效地改善室內(nèi)空氣質(zhì)量、創(chuàng)造健康舒適的室內(nèi)環(huán)境?？諝鈨艋靼凑詹煌膬艋碇饕譃椋海?）被動凈化式（濾網(wǎng)型）：風(fēng)機(jī)將空氣抽入機(jī)器內(nèi)，污染物被內(nèi)置的濾網(wǎng)隔離，起到凈化的效果；（2）主動凈化式（無濾網(wǎng)型）：根據(jù)產(chǎn)品的主動殺菌原理可分為銀離子凈化、負(fù)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(nèi)空氣進(jìn)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(nèi)空氣凈化器逐漸成為研究熱點。

1　主動凈化式室內(nèi)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(nèi)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(xiàn)平穩(wěn)的發(fā)展趨勢，對主動凈化式室內(nèi)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(xiàn)較迅速的增長，主要是因為人們意識到室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要性，對主動凈化式室內(nèi)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(xiàn)下滑趨勢，這可能是因為人們對主動凈化式室內(nèi)空氣凈化器的研究趨于成熟；2010年至今，專利申請量又呈現(xiàn)上升趨勢，并于2014年達(dá)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(yù)計2015年和2016年的實際申請量應(yīng)高于圖中所示數(shù)量），主要是因為近幾年霧霾天氣情況嚴(yán)重，由此引起的呼吸道疾病頻發(fā)，室內(nèi)空氣凈化器重新成為購買熱點，許多公司加大研發(fā)力度進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。整體來說，由于人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量越來越重視，使得主動凈化式室內(nèi)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(nèi)空氣凈化器的專利申請主要涉及光催化劑凈化、負(fù)離子凈化和等離子凈化，其中光催化凈化技術(shù)由于其制作成本低、對人體和環(huán)境無毒無害、催化活性高等優(yōu)點在近幾年得到了快速發(fā)展，光催化劑大多數(shù)都屬于寬禁帶的n型半導(dǎo)體化合物，如TiO2、CdS、SnO2、ZnO等，這些半導(dǎo)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(yīng)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(guān)于主動凈化式室內(nèi)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(nèi)空氣凈化器的主要研發(fā)國家。中國的申請量之所以最多，是由于中國室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域快速發(fā)展，導(dǎo)致專利申請量出現(xiàn)了爆發(fā)式增長；雖然中國的專利申請量最多，卻存在著專利申請質(zhì)量偏低、重復(fù)性申請較多、市場轉(zhuǎn)化率低等問題［3］，國內(nèi)研究人員應(yīng)加大研發(fā)力度，提高專利申請的技術(shù)含量，同時應(yīng)嘗試進(jìn)行專利布局。

主動凈化式室內(nèi)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(nèi)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(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司和青島木力新能源科技有限公司，這說明國內(nèi)企業(yè)對主動凈化式室內(nèi)空氣凈化器研發(fā)是相對重視的；然而，通過標(biāo)引發(fā)現(xiàn)，這兩個公司均存在著將同一個發(fā)明構(gòu)思通過改變某些技術(shù)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(yè)，這說明日本公司對于主動凈化式室內(nèi)空氣凈化器的研發(fā)能力較強(qiáng)，一直處于領(lǐng)先地位，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)關(guān)注這些企業(yè)專利申請，以尋求技術(shù)引進(jìn)或技術(shù)合作，并且上述企業(yè)專利申請中關(guān)于設(shè)置光催化劑的空氣凈化器技術(shù)均占有相當(dāng)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(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化器的材料，而光催化功能材料被認(rèn)為在該領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Σ⒊蔀檠芯康臒狳c。

2　光催化劑在室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用

光觸媒技術(shù)是化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)在催化劑上發(fā)生光化學(xué)作用的過程，其實質(zhì)是在光電轉(zhuǎn)換中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，該法可在常溫常壓下反應(yīng)，反應(yīng)速率快，對能源的消耗少，大部分碳?xì)浠衔锬芡耆趸癁槎趸己退蓪崿F(xiàn)連續(xù)化處理和使用。光觸媒技術(shù)起始于1972年，F(xiàn)ujishima和Honda發(fā)現(xiàn)了在TiO2單晶體表面上光催化分解水現(xiàn)象，此后TiO2光催化技術(shù)在空氣凈化領(lǐng)域中引起廣泛關(guān)注。圖4列出了光觸媒凈化的技術(shù)路線演進(jìn)圖。

圖4 光觸媒凈化技術(shù)路線演進(jìn)圖

由于光催化劑需要光源的激發(fā)才能發(fā)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(shè)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(fù)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(nèi)空氣凈化器，其分別設(shè)置吸附劑層和帶有紫外光源的光催化劑層，凈化器中設(shè)置傳感器以根據(jù)不同的空氣質(zhì)量切換不同凈化模式，有針對性對空氣進(jìn)行凈化處理；專利JP19093196A公開的室內(nèi)凈化器中光催化劑所用光源為冷陰極熒光燈，該光源所發(fā)射光線主要集中在370nm的紫外光區(qū)，并且光源具有較長的使用壽命，在光源附近還設(shè)置了光反射板，以充分利用紫外光；我國春蘭空調(diào)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(nèi)安裝紫外光燈管，盒架上具有與紫外光燈管對應(yīng)的遮光罩，對光觸媒實行原位光再生凈化，紫外光燈管彌補(bǔ)了日光中紫外線進(jìn)行光催化的不足，使吸附塊所吸附的各種有害物質(zhì)和氣體得到充分分解和轉(zhuǎn)化，并能以吸附-催化分解-再生的方式持續(xù)工作，凈化室內(nèi)空氣，有利于人體健康；此時，光觸媒技術(shù)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(fù)荷；CN200410016993采用空氣循環(huán)與空中直接凈化結(jié)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(huán)閉通道內(nèi)壁光觸媒膜進(jìn)行空氣凈化，只需要使用普通白熾光，無需紫外光源，對結(jié)構(gòu)和環(huán)境不需要特殊條件，能應(yīng)用到不同的環(huán)境中。

除了對光源的改進(jìn)，光觸媒凈化朝著多元化發(fā)展，各種不同的空氣凈化技術(shù)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(fù)離子、靜電除塵技術(shù)于一體，能高效快速地分解空氣中的有機(jī)污染物、無機(jī)氣體污染物，去除煙塵、殺滅微生物污染物與臭味物質(zhì)；CN200420094163公開了一種復(fù)合功能空氣光催化凈化器，它主要由風(fēng)機(jī)、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(jié)構(gòu)在有限的凈化器空腔內(nèi)構(gòu)成了伸長的高效光反應(yīng)區(qū)間，提供了一種高效的光催化凈化器結(jié)構(gòu)，為強(qiáng)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(fù)離子發(fā)生器和臭氧分解催化劑；CN201510811341公開了一種可移動室內(nèi)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(wǎng)、風(fēng)機(jī)、粗效過濾棉、總裝置外框組成，內(nèi)部從上至下安裝了蜂巢靜電等離子裝置、汞齊燈、光觸媒網(wǎng)、風(fēng)機(jī)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(jié)構(gòu)簡單，使用安裝方便，操作簡單，省力，實用性強(qiáng)，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(nèi)空氣凈化器空間占用以及凈化效率要求的提高，室內(nèi)空氣凈化器向小型、高效、節(jié)能的方向發(fā)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(fù)離子發(fā)生器，其具有較小的尺寸，較高的凈化能力，可以節(jié)省能源，適用于室內(nèi)空氣凈化；CN200820045091公開的空氣凈化器包括活動設(shè)置在支架上的殼體、改性活性炭過濾層、光催化降解裝置、風(fēng)扇和電路控件，其結(jié)合了吸附技術(shù)和光催化技術(shù)，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(jī)極性或非極性氣體等進(jìn)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(jìn)行全面徹底的降解，除去小分子量的殘留有機(jī)氣體，而兩者相結(jié)合使周圍環(huán)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(hù)活性炭工藝聯(lián)合去除室內(nèi)空氣復(fù)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(fēng)機(jī)帶動氣流進(jìn)入裝置，高壓靜電放電極去除氣流中顆粒物并產(chǎn)生一定的臭氧，紫外燈光源殺滅氣流中的微生物，并產(chǎn)生一定的臭氧、光電子、羥基自由基等，同時可激發(fā)TiO2光催化板去除微生物，降解化學(xué)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(yīng)的污染物，最終排出潔凈空氣，實現(xiàn)室內(nèi)空氣復(fù)合污染物的高效凈化。

隨著光觸媒技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對光催化劑進(jìn)行改性以提高光催化劑催化效率的技術(shù)日益成熟，其對室內(nèi)空氣凈化器的發(fā)展起到推動作用。CN201320317415公開的室內(nèi)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(nèi)與光催化裝置對應(yīng)的位置設(shè)置有照射光催化裝置的LED燈，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，操作方便，針對空氣中的有機(jī)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(fēng)險。

3　結(jié)語

隨著人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量要求的提高，主動凈化式室內(nèi)空氣凈化器的專利申請量仍呈現(xiàn)上升趨勢，光催化材料以其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗磨損性、低成本、對人體和環(huán)境無毒無害、不會產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，成為目前最具有發(fā)展?jié)摿Φ目諝鈨艋牧?，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?yīng)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(fā)展以及人們對于空氣質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，更加小型、高效、節(jié)能并且復(fù)合多項技術(shù)于一體的空氣凈化器將成為今后發(fā)展的重要方向。

［1］袁琳嫣.室內(nèi)空氣凈化器技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2015（3）：46-50.

［2］蘇美先.空氣凈化器的研究和設(shè)計［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

［3］李正杰等.等離子體空氣凈化技術(shù)的專利申請狀況分析［J］.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)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(lǐng)域發(fā)明專利審查；楊國（1986-），男，研究實習(xí)員，研究方向：催化劑領(lǐng)域發(fā)明專利審查，等同于第一作者。