TiO2紫外光催化处理空气专利技术分析

尹光斌

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州215163）

0 前言

1972年，Fujishima和Honda首次在Nature杂志上发表了关于TiO2电极上光分解水的论文，标志着一个多相光催化新时代的开始[1]。在众多半导体光催化剂中，TiO2以其无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好等特点而被研究最多和最为常用，它在空气净化方面有着广阔的应用前景。为了解TiO2紫外光催化处理空气技术在专利中的分布状况，本文以专利数据为分析样本，从专利中该技术申请的国内外申请时间分布特点、国内外专利申请人分布特点、技术路线演进、主要申请人的专利技术发展状况等方面进行分析。本文所依据的数据分布来自中国专利文摘数据库（CNABS）和德温特世界专利索引数据库（DWPI）。

1 TiO2紫外光催化处理空气技术国内外发展概况

从图1可以看出，涉及TiO2紫外光催化处理空气的专利最早始于1984年，日本申请人Advance Kaihatsu Kenkyusho公司在1984年申请了涉及利用TiO2等光催化剂在紫外灯下杀菌的专利JP昭61-76160A；最初几年1984～1993年，由于TiO2的光催化活性并未在众多半导体光催化剂中凸显出来，申请量一直较少，且申请人主要来自日本，CN1073122A为中国首件涉及TiO2紫外光催化处理空气的申请，该专利申请人为中国科学院兰州化学物理研究所，提出以TiO2为主体并辅以活性组分，可以在紫外光下将空气中的硫化氢、甲流醇、氨等微量有害气体消除，光解率达75～100%。

图1 TiO2紫外光催化处理空气历年专利申请量变化趋势

随着TiO2光催化技术的发展，1994年后涉及TiO2紫外光催化处理空气的专利申请量逐步增加，2000年前主要研究方向是以纳米TiO2粉体的形态为主，如JP特开平11-347420为日本东陶机器株式会社在1998年申请的专利，该专利首次提出了将光催化剂TiO2颗粒粒径均匀控制在10～50nm，在该粒度范围内能极大提高TiO2在紫外光下的光催化活性；从2003年开始各类TiO2紫外光催化处理空气的国内外专利申请出现了爆发式的增长，并呈现应用多元化趋势，尤其以纳米TiO2光催化剂与吸附剂相结合为主，如CN1410151A为武汉理工大学申请的高吸附性光催化空气处理器，该处理器包括蛇形普通紫外灯、吸附材料、负载有高吸附性光催化剂的纤维状堆积体，对有机物、臭气等有较好吸附能力，且有良好的光催化活性。

从图2可以看出，中国专利申请占各国专利申请量的比重为29%，申请时间主要集中在2000年至今，其中，涉及纳米TiO2粉体的申请占50%以上，；日本专利申请量排在第二位，比重为20%，日本是TiO2紫外光催化处理空气技术起步最早的国家，初期研究重点是如何控制TiO2的晶相和粒径，2000年后主要研究如何将改性纳米TiO2安装到光催化反应器来提高光催化活性；美国申请量排在第三位，研究主要涉及对TiO2掺杂改性来提高光催化活性。

图2 TiO2紫外光催化处理空气各国专利申请量比重

2 技术路线演进

1984～1996年涉及TiO2紫外光催化处理空气的专利申请主要为国外申请，主要利用其粉体形态作为半导体光催化剂；值得注意的是，日本东芝公司1998年提出的申请JP特开2000-167409A率先提出了利用TiO2薄膜的技术构思，与此同时，JP特开平11-347420为日本东陶机器株式会社在1998年申请的专利，该专利首次提出了将光催化剂TiO2颗粒粒径均匀控制在10-50nm，在该粒度范围内能极大提高TiO2在紫外光下的光催化活性，上述对TiO2形态和粒径的研究使其成为光催化剂的热点，国内外相关专利如雨后春笋般相继出现，国内具有代表性的专利有CN1493395A，该专利为香港中文大学于2002年申请的有关纳米二氧化钛光催化膜的制备及其应用：使钛酸酯水解于反胶束溶液的纳米水珠中，然后将一基体置于该溶液中，以提拉法在基体表面形成一湿膜，最后将附在基体上的湿膜烘干后，在高温中加热处理，该薄膜具有较高的光催化活性，适用于光催化降解空气中有机污染物，可达到杀灭空气中各细菌和病毒的效果。

2003年起研究的主要热点为吸附材料负载纳米TiO2的负载技术，代表性专利有CN1410151A提出的高吸附性光催化空气处理器，该处理器包括颗粒吸附材料活性炭层、负载有高吸附性光催化剂纳米TiO2的纤维状堆积体和表面上烧结有高吸附性光催化剂的中间玻璃隔板，利用了活性炭的吸附性能与纳米TiO2的光催化性能，使两者协同配合。

2008年起纳米TiO2的复合、掺杂技术逐渐成为研究的重点和热点，CN101716360A公开了一种壳聚糖/纳米二氧化钛复合空气净化剂的生产方法，由壳聚糖、纳米二氧化钛和活性炭组成，将壳聚糖用醋酸、乳酸或磷酸溶解成壳聚糖溶液，然后加入钛酸乙酯或钛酸丁酯溶液，搅拌，两者的体积比为1:0.1～1:0.5，再加入相当于钛酸乙酯重量2～5倍的活性炭粉末后，放置2～6小时，即可制得产品，三者的相互协同作用大大提高了催化效率，同时壳聚糖提高了纳米二氧化钛在活性炭上的附着力，使材料能够长时间使用；US2008/052465A提出了非金属掺杂的纳米二氧化钛光催化剂，该非金属掺杂元素为硼、碳和/或氮，该掺杂后的纳米二氧化钛光催化剂光催化性能得到较大的提高。

3 主要申请人的专利技术发展状况

随着TiO2紫外光催化性能水平的提高，将其应用到空气净化处理日益受到国内外研究者的关注，而中国申请在2000年后占了绝大多数。本报告对TiO2紫外光催化处理空气领域的中国专利申请进行了梳理，其主要申请人分布和历年的申请量变化如图3～4所示。

可以看出国内研究人员近几年来在该领域的专利申请量开始逐渐增加，呈上升趋势。其中专利申请量名列前茅的申请人是北京道顺国际技术开发有限责任公司、西北大学、周云正、陈克敏等。国内申请人的专利申请数量在2003年后开始显著增长，表明国内对该领域技术的应用开始起步。

结合专利申请的技术构思进行分析，可以看出北京道顺国际技术开发有限责任公司主要是将TiO2紫外光催化氧化应用到室内空气净化器中，有立式（CN101590267A）或卧式（CN101592383A）的，同时还涉及将光催化氧化与其它室内空气净化功能优化组合的方式，如调湿器 （CN101590256A）、 臭氧消毒 （CN101590260A）、 等离子体净化（CN101592383A）等。

图3 国内主要申请人分布情况

图4 国内历年专利申请量变化趋势

下面对北京道顺国际技术开发有限责任公司所申请的发明名称为室内空气立式高效净化和调湿器的专利CN101590256A进行典型分析：如图5所示，包括壳体11，其壳体内自下到上依次分为转轮增湿室6、臭氧氧化室5、光催化反应室13和吸附室2，所述转轮增湿室内设有环形增湿转轮7，底部是可以浸没所述增湿转轮底部的水槽8，所述臭氧氧化室内设有臭氧紫外灯12，所述光催化反应室内设有光催化紫外灯4，所述光催化紫外灯的上方和下方均设有光催化剂滤网14，所述吸附室内设有吸附层3，所述壳体上顶部设有出风口1，下部侧面设有进风口10，所述进风口连接于所述增湿转轮中间的空间，所述增湿转轮的轮体由多孔材料构成。该空气净化装置具有增湿、臭氧氧化、紫外光催化以及吸附等多重功能，经过三重的对挥发性有机气体的去除，可以获得很高的净化效果。该装置结构简单、适应方便、净化效果好，一定程度上代表了我国在该空气净化器反面的技术水平的发展。

图5 室内空气立式高效净化和调湿器

4 结语

本文通过对TiO2紫外光催化处理空气领域专利申请的技术功效分析得出了该领域的技术密集区和技术发展特点，并汇总了该技术路线的演进以及国内申请人的专利技术发展状况，国内申请人可以在此基础上，寻找研究起点，避免重复劳动。

［1］Fujishma A,Honda K.Photolysis-decomposition of water at the surface of an irradiated semiconductor[J].Nature,1972,37:238.