一种半导体广谱杀菌抗病毒复合材料和制备方法和制备方法转让专利
申请号 : CN202010189265.6
文献号 : CN111359642B
文献日 : 2021-06-11
发明人 : 黄富强 , 周策
申请人 : 北京大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种半导体杀菌抗病毒复合材料,其特征在于,具有纳米黑色二氧化钛半导体以及所锚定的多种增效活性物质,具体增效活性物质包括:a. 基于低温等离子体的常温催化氧化反应能杀灭病原体的寡量金属,包括锰、银、铜、铂、钯、金、铑和钌中的一种或组合;
b. 与含铌、钽、钨、锆、钼中一种或几种过渡金属的氧化物或其含氧酸、黑色二氧化钛能级匹配并能协同常温催化杀灭病原体的纳米p型半导体,包括纳米氧化镍、纳米氧化钌和硼掺杂石墨烯中的一种或组合;
c. 能抑制杀灭细菌病毒的金属离子,包括钾、钠、锰、铁、铜、铋、铝、锌、银、镁、钙和稀土离子的一种或组合。
2.根据权利要求1所述的半导体杀菌抗病毒复合材料,其特征在于,所述纳米黑色二氧化钛半导体材料具有壳核结构,以二氧化钛为核,缺陷态为壳;二氧化钛内核粒径为10‑
30nm,二氧化钛外壳厚度为1‑10 nm。
3.根据权利要求1所述的半导体杀菌抗病毒复合材料,其特征在于,所述寡量金属的原子聚集数为1‑1000,尺寸为0.1 nm‑100 nm。
4.根据权利要求1所述的半导体杀菌抗病毒复合材料,其特征在于,所述半导体杀菌抗病毒复合材料适合负载在滤层材料上,具有抑制或灭杀细菌和病毒的效果,所述滤层材料包含由高分子、碳、或无机氧化物组成的多孔层状材料。
5.根据权利要求4所述的半导体杀菌抗病毒复合材料,其特征在于,所述滤层材料为无纺布或熔喷布、聚合物织物、植物纤维织物、石墨烯或者碳管布、氧化物纤维布。
6.根据权利要求1‑5的任一项所述的半导体杀菌抗病毒复合材料的制备方法,其特征在于,将各种前驱体溶液加入到黑色二氧化钛溶液中,通过物理、化学方法一次处理后获得负载有多种增效活性物质的黑色二氧化钛材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述物理、化学方法处理包括超声、洗涤、过滤、干燥、水热反应、还原性气体中焙烧、真空焙烧、化学还原。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,通过一次水热反应和干燥后完成制备材料。
9.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述黑色二氧化钛溶液的溶剂选自乙醇、水、异丙醇中的一种或组合。
10.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述前驱体溶液包括寡量金属原子的前驱体溶液以及所需的还原剂、稳定剂,纳米半导体的前驱体溶液和金属离子溶液。
11.根据权利要求1‑5的任一项所述的半导体杀菌抗病毒复合材料的制备方法,其特征在于,将不同类型的增效活性物质依次按照权利要求6或7所述的制备方法,按照一定次序重复多次进行负载,获得负载有多种增效活性物质的广谱杀菌抗病毒材料。
12.一种权利要求1‑5中任一项所述的半导体杀菌抗病毒复合材料的用途,其特征在于,包括制作口罩滤层、防护服、空气净化滤层、喷雾剂、消毒剂、表面防护涂层。
说明书 :
一种半导体广谱杀菌抗病毒复合材料和制备方法和制备方法
技术领域
背景技术
罩、护目镜、防护服等,都是靠隔离病原体的方式进行防护,没有杀灭病毒细菌的功能。这样
的防护用品防护时间和防护能力较为有限,应急时期消耗量巨大,废弃后还会造成二次污
染。因此,具备广谱杀菌抗病毒功能的防护材料极为重要。
是在实际应用中,普通白色二氧化钛暴露出许多问题,可吸收波长范围窄(紫外光),光转化
效率低,因此在商业化应用方面有一定限制,如专利CN108328694A仅能在紫外光中杀菌消
毒,必须依靠紫外灯照射才能使用。
性能需要进一步优化。而提升半导体杀菌抗病毒材料性能的关键技术路线在于提升半导体
催化剂的光利用率以及能够协同利用多种杀菌机制杀灭细菌病毒。
发明内容
原体。其中具体增效活性物质包括:基于低温等离子体的常温催化氧化反应(“冷火”催化)
能杀灭病原体的寡量金属,与黑色二氧化钛能级匹配并能协同常温催化杀灭病原体的纳米
p型半导体,可高效抑制杀灭细菌病毒等病原体的金属离子。本发明材料可以通过协同多种
杀菌灭毒机制,实现长效高效广谱抗菌灭毒功能。
实现杀菌灭毒功能。普通白色二氧化钛导带和价带之间的禁带宽度过宽,其几种主要晶相
带宽都在3.0‑3.2eV之间,故只能吸收仅占5%太阳能的紫外光,无法利用可见光和近红外
3+
光。而黑色二氧化钛由于引入Ti 和氧缺陷能够调节材料带隙,存在价带的提升并会形成尾
带,同时还会存在大量的中间带(如图4所示)。因此,黑色二氧化钛会发生两种类型的电子
激发:一种是电子从价带到导带的激发,另一种是电子从价带到中间带或从中间带到导带
的激发,故黑色二氧化钛具有良好的可见光和红外吸收性能,具有比传统二氧化钛更高能
量利用率,更好的催化性能。
材料也是全光谱响应的高效吸热材料,通过光或热辐射实现温度快速升高,温杀或致残病
原体,实现热杀菌。(3)黑色二氧化钛作为高导电载体与氢和氧电位匹配,负载与黑色二氧
化钛能级匹配的纳米p型半导体后能协同进行常温催化氧化降解有机物。(4)同时它也是贵
金属的优异复载体,能够形成高分散性的寡聚金属原子/氧化物界面,并能通过黑色二氧化
钛协调金属原子叠加的局域表面等离子体激元共振效应,提高催化能力,实现“冷火”常温
催化分解有机物。(5)其无定型非晶层作为金属离子的载体,可以有效保存金属离子,高效
杀灭细菌和病菌等病原体。因此,这种半导体广谱杀菌抗病毒复合材料可以通过多种机制
协同杀灭病原体,这样可以避免病单一杀菌抗病毒途径的局限性,可实现长效、高效、广谱、
安全的杀菌抗病毒功能。
具体增效活性物质包括:基于低温等离子体的常温催化氧化反应(“冷火”催化)能杀灭病原
体的寡量金属,包括锰、银、铜、铂、钯、金、铑、钌等;与黑色二氧化钛能级匹配并能协同常温
催化杀灭病原体的纳米p型半导体,包括纳米氧化镍、纳米氧化钌、硼掺杂石墨烯等;可高效
抑制杀灭细菌病毒等病原体的金属离子,包括银、铜、锌等离子。
中,纳米黑色二氧化钛中可以负载单一增效活性物质,或者同时负载多种增效活性物质,也
可以单独使用纳米黑色二氧化钛及其替代物用于杀菌抗病毒。
尺寸为0.3‑5nm。
料,其中优选无纺布或熔喷布、植物纤维织物、石墨烯或者碳管布、氧化物纤维布。
载有多种增效活性物质物质的黑色二氧化钛材料。
通过一次水热法,过滤,干燥后获得负载有多种增效活性物质的半导体广谱杀菌抗病毒复
合材料。
液的一种或组合。
有多种增效活性物质的半导体广谱杀菌抗病毒复合材料。
灭菌、集热杀菌、“冷火”催化灭菌、复合金属离子灭菌等多种途径实现广谱杀菌抗病毒功
能。本发明具有工艺简单、重金属用量小、价格低廉、无毒副作用、能够高效杀菌抗病毒等优
势。其应用范围灵活,负载于滤层材料时,可作为市面上非抗病毒口罩、一次性口罩的增效
部件,延长口罩使用寿命、增加抗病毒功能;又可以集成于口罩中;还可以直接用于防护服、
空气净化滤层、喷雾剂、消毒液、表面防护涂层的制备。可用于医用和民用领域对细菌和病
毒的抗疫防护。
附图说明
具体实施方式
动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
通过一次水热法在纳米黑色二氧化钛同时负载多种增效活性物质。其具体方法步骤如下:
将(1)通过高温还原法制备纳米黑色二氧化钛材料。(2)将金属前驱体溶液、稳定剂、氧化石
墨烯,硼氢化钠、纳米黑色二氧化钛在120℃下进行水热反应2小时,过滤、洗涤、干燥后得到
负载硼掺杂石墨烯和寡量金属离子的纳米黑色二氧化钛。(3)将(2) 中所得产物放入含有
复合金属离子的溶液中浸润得到半导体广谱杀菌抗病毒复合材料分散液。(4)将半导体广
谱杀菌抗病毒复合材料分散液喷涂到滤层材料上烘干,完成材料在滤层上的负载。
石墨烯,硼氢化钠和(1) 中制备好的纳米黑色二氧化钛材料在120℃下进行水热反应2小
时,得到负载硼掺杂石墨烯的纳米黑色二氧化钛。(3)然后将金属前驱体溶液、稳定剂、还原
剂滴加到(2)中所制备的材料,原位完成寡量金属离子负载,洗涤、干燥、过滤后获得,负载
硼掺杂石墨烯和寡聚金属离子的纳米黑色二氧化钛。(4)将(3) 中所得产物放入含有复合
金属离子的溶液中浸润得到半导体广谱杀菌抗病毒复合材料分散液。(5)将半导体广谱杀
菌抗病毒复合材料分散液喷涂到滤层材料上烘干,完成材料在滤层上的负载。
的改动和调整都属于本发明保护的范围。下述事例的具体工艺参数等仅是合适范围中的一
个示例,即本领域技术人员可以通过文本的说明做合适范围内的选择,而并非要限定于下
文示例的具体数值。
性值为2.0以上说明病毒减少到百分之一以下的效果。
率。
载寡量银的纳米黑色二氧化钛。
材料。
0.5M氯化铜,磷酸银,氯化锌水溶液中,得到半导体广谱杀菌抗病毒复合材料分散液。过滤,
干燥后得到半导体广谱杀菌抗病毒复合材料。
料。测试无纺布负载的半导体广谱杀菌抗病毒复合材料的抗病毒性能和抗菌性能。所得抗
病毒活性值为3.2,抗菌率99.7%。
装入已消毒塑料袋密封,得到石墨烯无纺布负载的半导体广谱杀菌抗病毒复合材料。测试
石墨烯无纺布负载的半导体广谱杀菌抗病毒复合材料的抗病毒性能和抗菌性能。所得抗病
毒活性值为3.4,抗菌率99.8%。
测试棉纺布负载的半导体广谱杀菌抗病毒复合材料的抗病毒性能和抗菌性能。所得抗病毒
活性值为2.8,抗菌率95.5%。
菌抗病毒防护层。