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基于纳米多孔TiO2的空气净化器创新设计与研发

申报人：林洪章 申报日期：2025-01-02

基本情况

2025年批次
基于纳米多孔TiO2的空气净化器创新设计与研发 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生自主选题
一年期
在全球变暖及城市、工业区空气质量恶化的背景下，我们项目致力于研发基于纳米多孔TiO2的空气净化技术，应对高热、高粉尘环境挑战。该装置融合纳米多孔TiO2的“隐形防护”与热轧薄板技术，利用卓越光催化性能分解有害物质及微生物，多孔结构提升过滤效率。此创新性空气净化器不仅市场潜力大，更带来空气净化领域的革命性变革，为环境提供坚实“防护”，显著提升公众生活品质。它使我们能够更有效地应对空气质量挑战，展现出广阔的应用前景与深远的社会价值。
参与大创校级立项一项
先进汽车用冷轧及热镀锌高强钢的开发及应用关键技术研究，桂科AA22067079-1，广西科技重大专项，40万，在研。
导师将给予技术指导及财力物力的支持，并全力推动及督促项目的顺利完成。
国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
林洪章 材料科学与工程学院 材料科学与工程 2023 技术研发部总监；负责项目设计
程威聚 材料科学与工程学院 材料科学与工程 2023 数据分析与文献整理，记录项目进度
陈俊宏 材料科学与工程学院 宝石及材料工艺学 2022 项目设计，产品研发，工艺技术管理 材料制备研发与组装
梁荣宵 计算机科学与工程学院 人工智能 2023 负责实验的设置与数据收集
颜文桃 材料科学与工程学院 材料科学与工程 2023 数据分析与文献整理，记录项目进度 技术路线分析与预期成果展示

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
亓海全 材料科学与工程学院 否
孙文强 材料科学与工程学院 否

立项依据

在全球城市化进程加速、工业化程度不断提高的背景下，空气质量问题日益突出，特别是在高热、高粉尘环境中，空气质量的恶化对人们的生产生活和健康造成了严重影响。本研究旨在通过创新技术，研发一种基于纳米多孔TiO2的空气净化器，以解决当前空气净化领域面临的难题，为改善空气质量、保护人们健康提供有力支持。以下从多个方面详细阐述本研究的目的和优势。
1．解决传统空气净化器净化效率低的问题
传统的空气净化器大多采用过滤、吸附等方式进行空气净化，但这些方式在处理高热、高粉尘环境中的空气时，往往存在净化效率低、易堵塞等问题。本研究通过引入纳米多孔TiO2材料，利用其优异的催化性能和吸附能力，实现对空气中污染物的有效分解和去除。纳米多孔TiO2具有比表面积大、活性位点多的特点，能够高效催化空气中的有机污染物和有害气体，将其转化为无害物质，从而显著提高空气净化效率。
2．解决光催化滤芯更换过程中灰尘易吸入的问题
在空气净化器的使用过程中，光催化滤芯的更换是必不可少的环节。然而，传统的空气净化器在更换滤芯时，往往存在灰尘易吸入的问题，这不仅会影响空气净化器的净化效果，还可能对设备造成损害。本研究通过设计一种基于纳米多孔二氧化钛的空气净化器，该净化器包括可旋转的挡风板与自动密封机构，在光催化滤芯更换过程中，利用插杆与楔块的机械联动以及扭簧的回位作用，实现风道的自动封闭，有效防止灰尘进入机柜内部，避免污染和损坏设备。这一设计不仅提高了空气净化器的使用寿命，还降低了维护成本。
3．优化空气净化器结构，提高操作便捷性
传统的空气净化器在结构上往往较为复杂，操作不便，给用户带来了一定的困扰。本研究通过优化空气净化器的结构设计，使其更加简洁、实用。通过引入风道管与安装侧板之间的焊接固定方式，增强了结构的稳固性；同时，格栅框、光催化滤芯框和风机框等组件采用一体式成型设计，不仅简化了制造流程，还提高了空气净化器的整体稳定性，更使得安装和拆卸过程变得更加便捷高效。此外，本研究创新性地设计了可旋转的挡风板与自动密封机构，并在光催化滤芯安装过程中实现了自动触发挡风板开关的功能，使通风与密封状态与光催化滤芯的安装状态紧密联动，这一设计不仅有效避免了灰尘在更换滤芯过程中的吸入问题，还进一步提升了操作的便捷性和系统的可靠性。
4．推动空气净化技术向智能化、自动化方向发展
随着物联网、大数据、云计算等技术的不断发展，空气净化技术正朝着智能化、自动化的方向发展。本研究在研发过程中，充分考虑了这些新技术的应用前景，通过引入智能算法分析、云平台管理，实现了对空气净化过程的实时监测和智能控制。这不仅提高了空气净化器的净化效率和准确性，还为用户提供了更加便捷、智能的使用体验。通过移动端应用，用户可以随时随地查看空气净化器的运行状态和监测数据，并根据需要进行远程控制和调节。 
本研究的核心内容集中在基于纳米多孔TiO2的空气净化器的研发上。此项目不仅致力于解决当前空气质量问题，还着眼于技术创新与市场应用，期望通过开发新型空气净化器，有效应对高热、高粉尘等恶劣环境下的空气净化挑战。以下是本研究的详细研究内容：
1. 纳米多孔TiO2的制备与表征
本项目通过低温溶剂热法一步合成纳米多孔TiO2，精心调控反应温度以优化其形貌与性能。严格筛选原料并精确控制制备条件，确保所得TiO2具有高纯度、良好分散性和稳定孔隙结构。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及氮气吸附-脱附（BET）等技术全面表征TiO2的晶体结构、形貌、孔隙分布及比表面积，为后续应用及工艺优化提供坚实基础。
2. 热轧薄板的制备工艺创新：
首先获得铸坯，然后将铸坯加热保温至1100℃~1200℃并保温1~4小时获得加热坯；接着对加热坯进行高压水除鳞、粗轧（开轧温度1050℃~1180℃，终轧温度大于1000℃）得到中间坯；再将中间坯进行精轧（开轧温度950℃~1030℃，终轧温度大于860℃），之后进行层流冷却并在580℃~700℃卷取，最终得到热轧薄板。本项目的热轧薄板成形工艺，与现有的DP钢、QP钢等冷轧钢板成形工艺相比，免除了冷轧工序，周期短，成本低；本发明的热轧薄板制备复杂车身结构件的成形方法，与现有的热成型钢相比，加热温度低于930℃，无需进行复杂的热镀铝，能源消耗低，且能够成形更为复杂的零部件，而且强度更高
3. 空气净化器的结构设计
基于纳米多孔TiO2材料，本研究将设计一种高效、可靠的空气净化器结构。该净化器将包括进风模块、出风模块以及安装侧板等关键部件。进风模块将负责将外部空气引入净化器内部，并通过纳米多孔TiO2滤芯进行过滤和净化。出风模块则负责将净化后的空气排出，形成有效的空气循环。在安装侧板上，将开设进风口和出风口，并固定风道管以形成风道结构。同时，为优化空气净化效果，本研究将引入可旋转的挡风板与自动密封机构，实现光催化滤芯更换时对风道的自动封闭，防止灰尘进入机柜内部，避免污染和损坏设备。这一设计将确保空气净化器在滤芯更换过程中的安全性和可靠性。
4. 空气净化器的性能优化与测试
在完成空气净化器的结构设计后，本研究将对其性能进行优化和测试。首先，将通过实验手段对空气净化器的过滤效率、净化效果以及噪音等指标进行测试，以评估其整体性能。其次，根据测试结果，对空气净化器的结构设计和材料选择进行进一步优化，以提高其性能和可靠性。同时，本研究还将对空气净化器的耐久性和稳定性进行测试，以确保其在实际应用中的稳定性和可靠性。 
1. 国内研究现状
（1） 研究机构：在国内，空气净化装置的研究与开发正呈现出蓬勃发展的态势。众多科研机构与高校，如中国科学院、清华大学等，均在空气净化技术领域取得了显著的成果[1]。针对传统空气净化装置存在的过滤效率低、能耗高等问题，国内研究者们不断寻求创新，探索更高效、更环保的净化技术。
（2） 技术进展：近年来，我国在空气净化装置技术上取得了长足的进步。研究者们不断探索新型净化材料和技术，以提升空气净化装置的效率和性能。其中，基于纳米多孔材料的空气净化技术尤为引人注目[2]。这类材料因其独特的纳米结构和优异的吸附、催化性能，在空气净化领域展现出巨大的应用潜力[3]。
（3） 应用领域：国内外在空气净化装置的研究上均取得了显著进展。国内如中国科学院、清华大学等科研机构与高校，正积极探索更高效、环保的净化技术，其中基于纳米多孔TiO2的空气净化装置成为了一项重要创新[4]，它结合光催化作用与高效过滤系统，实现了对空气污染物的全面治理。同时，国内研究者还在装置的智能化、自动化方面进行了尝试。国外方面，众多研究机构同样致力于空气净化技术的研究，尤其在材料的创新、净化效率的提升以及智能化控制等方面不断探索，推动了空气净化技术的持续发展。
2. 国外研究现状
（1） 研究机构：在国际上，空气净化装置的研究同样备受关注。发达国家如美国、德国等，在空气净化技术领域拥有深厚的研究基础和丰富的经验。国外研究者们不仅关注空气净化效率的提升，还注重装置的智能化、小型化以及低功耗设计。
（2） 技术进展：国外也在探索利用新型材料如纳米多孔材料来提升空气净化效果。例如，一些研究机构通过开发具有更高比表面积和更优催化性能的纳米多孔材料，进一步提高了空气净化装置的净化效率。同时，国外研究者们还在空气净化装置的噪声控制、使用寿命等方面进行了深入研究，以期为用户提供更加舒适、可靠的使用体验。
（3） 应用领域：国外的空气净化装置广泛应用于家庭住宅、商业场所、医疗机构、工业生产、交通工具及特殊领域等多个方面，旨在去除空气中的尘埃、细菌、病毒等有害物质，改善室内空气质量，保护人们的健康，同时提高生产效率、降低生产成本，并随着技术的创新，部分高端装置还具备了智能控制和远程监测功能，为用户提供更便捷、高效的空气净化体验。
3. 发展动态
（1）技术趋势：未来空气净化装置的发展趋势将聚焦于高效净化技术的持续升级，智能化与物联网技术的深度融合，实现多功能化和小型化设计，同时强调节能环保与可持续发展。这些趋势将推动空气净化装置在去除有害物质、提升空气质量方面取得更好效果，同时提供更加智能化、个性化的用户体验，并减少对环境的影响。
（2）市场应用：空气净化装置的应用市场广阔，特别是在当前环境污染和室内空气质量问题日益严峻的背景下，基于纳米多孔二氧化钛的空气净化装置更是凭借其出色的性能脱颖而出。这种装置不仅适用于家庭、办公室、学校、医院等日常生活场所，满足人们对清新空气的基本需求，还广泛应用于数据中心、通信基站、工业厂房等高密度集成和长时间运行的机柜散热系统中。在这些环境中，空气净化装置能够有效过滤空气中的粉尘、微粒等污染物，防止灰尘进入机柜内部，避免污染和损坏设备，同时保障设备的稳定运行和延长使用寿命。此外，该装置还具备操作便捷、安全可靠等优点，深受用户的青睐。因此，基于纳米多孔二氧化钛的空气净化装置在市场上的应用前景十分广阔，具有巨大的商业潜力和社会价值。
（3）政策支持：政府为应对空气质量问题，出台了一系列环保政策，鼓励空气净化技术的研发与应用，特别是在家庭、学校、医院等场所推广高效空气净化装置，以提高室内空气质量，保障民众健康，为基于纳米多孔二氧化钛的空气净化装置的市场应用提供了有力的政策支持和广阔的市场空间。
4. 参考文献
[1] 沈迅伟,袁春伟.基于二氧化钛多相光催化的环境净化技术研究及进展[J].东南大学学报(自然科学版),2004,(06):872-878.
[2] 王锡琴.TiO2/ACF光催化的室内空气净化装置研究[D].四川大学,2005.
[3] 古政荣,陈爱平,戴智铭,等.活性炭-纳米二氧化钛复合光催化空气净化网的研制[J].华东理工大学学报,2000,(04):367-371.DOI:10.14135/j.cnki.1006-3080.2000.04.013.
[4] 肖新颜,陈焕钦,万彩霞.TiO2光催化空气净化及抗菌材料的研究与应用[J].化学研究与应用,2002,(05):507-510. 
1. 纳米多孔TiO2滤芯的创新应用：
项目采用纳米多孔TiO2作为空气净化器的核心滤芯材料，利用其独特的纳米结构和优异的光催化性能，实现对空气中污染物的高效分解和净化。纳米多孔结构不仅增加了催化剂的比表面积，还提高了光催化反应的效率，使得空气净化器在去除甲醛、苯等有害气体以及细菌和病毒方面表现出色。
2. 自动封闭风道与联动机制的设计：
项目创新性地引入了可旋转的挡风板与自动密封机构，实现了光催化滤芯更换过程中对风道的自动封闭。这一设计有效防止了灰尘在滤芯更换过程中被吸入机柜内部，避免了设备的污染和损坏。同时，光催化滤芯安装过程中自动触发挡风板开关，使通风与密封状态与滤芯的安装状态联动，操作更加便捷且可靠。
3. 高效散热与节能设计：
项目通过优化风道结构和引风机配置，实现了机柜内设备的高效散热。同时，采用纳米多孔TiO2滤芯和自动封闭风道设计，减少了引风机的频繁启停，降低了设备损耗和能耗。这种设计不仅提高了空气净化器的运行效率，还延长了设备的使用寿命。
4. 智能化操作与便捷维护：
项目设计的空气净化器具有智能化操作界面和便捷维护功能。用户可以通过简单的操作完成滤芯的更换和设备的维护，无需专业人员指导。同时，设备具有自动检测和故障报警功能，能够及时发现并解决问题，确保设备的稳定运行。
5. 高效净化与广泛适用性：
项目采用的纳米多孔TiO2滤芯具有高效净化能力，能够去除空气中的多种污染物，包括有害气体、细菌和病毒等。这使得空气净化器在各个领域具有广泛的适用性，如家庭、办公室、医院、学校等场所。
6. 环保节能与可持续发展：
项目注重环保节能和可持续发展理念。采用纳米多孔TiO2滤芯和自动封闭风道设计，减少了设备的能耗和排放，降低了对环境的污染。同时，项目鼓励用户进行滤芯的定期更换和设备的维护，延长了设备的使用寿命，减少了资源浪费。这种设计理念符合当前社会对环保和可持续发展的要求。 
1．技术路线
（1）纳米多孔TiO2的制备与表征
首先，本项目将采用采用低温溶剂热法一步合成纳米多孔TiO2的微纳米结构，通过调节溶剂热反应温度来控制TiO2的形貌和光催化降解。通过精确控制TiO2的粒径、孔隙结构和表面修饰，实现防腐性能的优化。在制备过程中，将严格控制原料选择、反应条件、后处理等关键步骤，以获得具有高纯度、良好分散性和稳定孔隙结构的纳米多孔TiO2。随后，利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、氮气吸附-脱附（BET）等现代分析技术，对纳米多孔TiO2的晶体结构、形貌特征、孔隙分布和比表面积等进行全面表征，为后续喷涂工艺的优化提供基础数据。
（2）滤芯结构设计：
设计具有高效过滤和催化分解功能的滤芯结构，确保空气能够充分与纳米多孔TiO2接触。结合闭锁挡风结构，实现滤芯更换时的自动封闭，防止灰尘进入，保证空气净化器的持续高效运行。
（3）热轧薄板制备：
采用高质量的原材料，按照特定的化学成分比例（如C：0.03%~0.25%，Si：0.6%~1.5%，Mn：0.8%~2.5%等）进行冶炼。通过连铸、加热保温、除鳞、粗轧、精轧、层流冷却和卷取等步骤，制备出厚度均匀、组织致密的热轧薄板。
（4）系统集成与优化：
将纳米多孔TiO2滤芯集成到空气净化器的进风模块中，与格栅、引风机等组件协同工作。对空气净化器的整体结构进行优化，确保气流顺畅、噪音低、能效高。
（5）智能控制与监测：
引入智能控制系统，实时监测空气质量、滤芯状态等信息。根据监测结果自动调节空气净化器的工作模式和风速，实现智能化、个性化的空气净化体验。
表 1空气净化装置制作工艺流程图
2．拟解决的问题
（1）空气净化器净化效率低下的问题：
通过采用纳米多孔TiO2滤芯，提高空气净化器的催化分解能力和过滤效率，有效去除空气中的PM2.5、甲醛、TVOCs等有害物质。
（2）滤芯更换过程中的安全隐患：
设计闭锁挡风结构，在滤芯更换时自动封闭风道，防止灰尘进入机柜内部，避免污染和损坏设备。简化滤芯更换操作，降低人为操作失误的风险。
（3）空气净化器运行过程中的能耗问题：
通过优化空气净化器的整体结构和智能控制系统，实现能耗的降低和能效的提高。在保证净化效果的同时，减少不必要的能耗和浪费。
3．预期成果
（1）开发出一款基于纳米多孔TiO2的高效空气净化器：
该空气净化器具有优异的空气净化能力和过滤效率，能够有效去除空气中的各种污染物。滤芯更换过程安全便捷，降低了操作难度和安全隐患。
（2）提升空气净化器的智能化水平：
通过引入智能控制系统，实现空气净化器的实时监测和自动调节，提高用户体验和满意度。
（3）推动空气净化技术的创新与发展：
该项目的成功实施将推动空气净化技术的创新与发展，为空气净化行业的进步做出贡献。
4．发表高水平学术论文与申请专利：
将研究成果整理成学术论文，在国内外高水平期刊上发表；同时申请相关专利，保护技术创新成果。 
时间 工作内容安排
2025.5—2025.7
1.收集国内外关于纳米多孔TiO2、空气净化器以及相关技术的文献资料。
2.对收集到的文献资料进行整理、分类和综述，了解当前领域的研究进展和技术水平。
3.基于文献综述，确定项目的创新点和研究方向。
2025.7—2025.10
1.根据项目的研究方向和创新点，设计空气净化器的整体技术方案，包括进风模块、出风模块、安装侧板以及纳米多孔TiO2滤芯等关键部件的设计。
2.制定详细的技术参数和性能指标，确保产品的性能和安全性。
2025.10—2025.11
1.根据技术方案，制作空气净化器的原型样机。
2.对原型样机进行功能测试和性能测试，包括净化效率、噪音、能耗等指标。
3.根据测试结果，对原型样机进行优化和改进，提高产品的性能和用户体验。
2025.11—2026.1
1.根据中期总结，优化并调整实验，提高空气净化装置的净化率。
2.深入研究闭锁挡风结构的设计原理和实现方法，确保在更换滤芯时能够自动封闭风道，防止灰尘进入机柜内部。
3.制作闭锁挡风结构的原型样件，并进行测试和验证。
4.根据测试结果，对闭锁挡风结构进行优化和改进，提高产品的可靠性和稳定性。
2026.1—2026.4
1.根据检测结果和数据进行分析和讨论
2.申请专利：《一种基于纳米多孔TiO2的空气净化器》
2026.5
1.完成论文的撰写
2.修改、提交等工作 
（1） 核心技术掌握：
团队在空气净化领域已深入研究了纳米多孔TiO2的制备技术，并成功开发出基于纳米多孔TiO2的高效空气净化滤芯。此外，团队还探索了纳米多孔TiO2在热轧薄板表面的应用潜力，通过创新的喷涂技术，实现了纳米多孔TiO2涂层与热轧薄板的紧密结合，显著提升了热轧薄板的抗腐蚀和自清洁能力。经过数千次的实验验证和优化，团队已经掌握了该技术的核心要点，为项目的进一步推进奠定了坚实基础。
（2） 知识产权成果：
团队在纳米多孔TiO2的制备及其在空气净化器和热轧薄板表面应用方面取得了显著的知识产权成果。目前，团队已经获得了多项与纳米多孔TiO2相关的发明专利，并在国内外学术期刊上发表了多篇高质量的学术论文。这些成果不仅展示了团队在相关领域的研究实力，也为项目的后续开发提供了有力的技术支撑和法律保障。
（3） 研究方案制定：
针对本项目，团队制定了详细的研究方案。在空气净化滤芯方面，团队将继续优化纳米多孔TiO2的制备工艺，提高滤芯的过滤效率和耐久性。 
（1）已具备的条件
a) 实验室平台与技术支持：
团队依托的实验室拥有先进的材料制备和表征设备，如扫描电子显微镜（SEM）、X-射线粉末衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等，能够满足项目在材料结构与形貌表征方面的需求。同时，实验室还配备了电化学工作站等设备，足以完成所有电化学测试。
b) 热轧薄板与纳米多孔TiO2材料：
团队已经成功制备了高质量的纳米多孔TiO2材料，并掌握了热轧薄板的预处理工艺。这些材料和工艺为项目的实施提供了有力的保障。
c) 喷涂设备与工艺优化：
团队已经配备了专业的喷涂设备，并对喷涂工艺进行了多次优化。通过调整喷涂速度、涂层厚度等参数，团队已经成功实现了纳米多孔TiO2在热轧薄板上的均匀喷涂。
d) 团队素质与能力：
项目团队成员都具备了丰富的实验经验和科研素质，能够熟练掌握实验技能和数据处理方法。同时，团队成员之间的协作和沟通能力也较强，能够共同应对项目中的挑战和问题。
（2）尚缺乏的条件
尽管团队已经具备了较为完备的条件和实力，但在项目的推进过程中，针对空气净化装置的特定需求，可能仍存在一些尚缺乏的条件。具体表现在以下几个方面：
a) 实际操作经验：
尽管学生在实验室和课程中获得了理论知识，但缺乏在车身构建的实际操作过程中的实践经验。
b) 项目资金与市场渠道：
大创项目的实施往往需要一定的资金支持，而学生团队可能缺乏足够的资金来源。同时，他们可能也缺乏将技术成果转化为市场产品的渠道和经验。
（3）解决方法
a) 校企合作：
积极寻求与汽车制造或相关行业的合作机会，让学生有机会参与到真实的车身构建过程中，从而获得宝贵的实践经验。企业导师的指导和现场操作能够帮助学生更好地理解理论知识在实际中的应用。
b) 模拟实训：
在学校或实验室中建立模拟实训环境，通过模拟车身构建和喷涂过程，让学生在接近真实的环境下进行实践操作，积累实践经验。
c) 专家讲座与工作坊：
邀请行业内的专家进行讲座和工作坊，分享他们的实际操作经验和技巧，提升学生的实践操作能力。
d) 争取外部资助：
通过申请政府资助、企业赞助、学校或学院的研究基金等方式，筹集项目所需的资金。同时，可以积极向潜在的投资者展示项目的创新性和市场前景，争取他们的投资。 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 82300.00 用于项目研究过程中的数值模拟、数据分析、材料性能测试等费用 33100.00 49200.00
1. 业务费 12300.00 用于以下费用 4100.00 8200.00
（1）计算、分析、测试费 7000.00 用于项目研究过程中的数值模拟、数据分析、材料性能测试等费用 2000.00 5000.00
（2）能源动力费 1800.00 实验室设备运行、材料处理（如加热、冷却等）所需的能源费用 800.00 1000.00
（3）会议、差旅费 2000.00 参加学术会议、研讨会、实地调研等产生的交通、住宿、餐饮等费用 700.00 1300.00
（4）文献检索费 300.00 购买或订阅相关学术数据库、文献检索服务等费用 100.00 200.00
（5）论文出版费 1200.00 用于项目研究成果的论文出版版面费 500.00 700.00
2. 仪器设备购置费 20000.00 购买项目研究所需的专业仪器设备 8000.00 12000.00
3. 实验装置试制费 30000.00 用于实验装置的设计、加工、组装和调试等费用 13000.00 17000.00
4. 材料费 20000.00 购买原材料以及所需试剂，如纳米多孔TiO2的制备原料、热轧薄板、喷涂设备等 8000.00 12000.00
结束

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