材料科技工程師論文發(fā)表納米光催化材料研究

　　摘要：綜述了國內(nèi)外納米光催化路面材料的研究進展，并對研究進程中存在的問題進行了分析，認(rèn)為在瀝青路面中的應(yīng)用存在較多問題，若要實現(xiàn)光催化材料在路面上的大規(guī)模推廣，需突破光催化材料應(yīng)用形式這一關(guān)鍵問題。

　　關(guān)鍵詞：材料科技,工程師論文發(fā)表,納米光催化,材料研究

　　半導(dǎo)體光催化技術(shù)是一門新興的環(huán)保技術(shù)，光催化是指光催化劑吸收光后對物質(zhì)所發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)，可將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，促進有機物的合成或分解，自1972年日本東京大學(xué)藤島昭等人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)受輻射后的TiO2 電極上能發(fā)生持續(xù)氧化還原反應(yīng)以來[1]，半導(dǎo)體光催化研究正處于快速發(fā)展階段，已被成功應(yīng)用于工業(yè)廢氣廢水的降解處理[2-7]。由于汽車尾氣排出后首先接觸的是路面，若能將光催化劑負(fù)載于路面，利用陽光凈化汽車尾氣中的污染物，則能成為一種新型防治汽車尾氣污染的方法。

　　1.光催化降解汽車尾氣機理分析

　　光催化劑在吸收光線能量后，可將吸附于表面的一氧化碳、氮氧化合物和碳氫化合物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和硝酸鹽等，從而實現(xiàn)對汽車尾氣污染物的降解。下面以二氧化鈦為例介紹光催化劑對污染物的降解過程：二氧化鈦受紫外線激發(fā)后生成光生電子與空穴光催化材料表面吸附的O2與和反應(yīng)生成具有強氧化性的活性氧可與TiO2上吸附的水分子或氫氧根反應(yīng)它具有強氧化性可將表面吸附的污染物徹底氧化[11-14]。白天是汽車出行的高峰期，而光催化劑在紫外光或自然光條件下催化效率更高，因此白天能夠產(chǎn)生更好的降解效果。光催化劑降解污染物所形成的產(chǎn)物會吸附在催化劑表面，由于納米光催化劑材料表面在光線作用下會生成親水基(-OH)，使表面產(chǎn)生超親水性[15-17]，超親水表面使污染物很容易被雨水沖刷干凈，從而產(chǎn)生自清潔效應(yīng)，有利于恢復(fù)材料表面催化降解功能，實現(xiàn)再生利用。

　　2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　在汽車尾氣污染愈發(fā)嚴(yán)重的今天，國內(nèi)外對路面納米光催化降解汽車尾氣污染物技術(shù)展開了一系列研究。納米光催化材料的應(yīng)用形式主要借鑒了在墻體中的應(yīng)用形式，摻加方式主要有三種：(1)將TiO2加入水泥中做成水泥超薄面層(2)將水溶性TiO2直接噴灑到混凝土表面(3)在水泥混凝土固化前撒TiO2。日本作為最先研究這一領(lǐng)域的國家，在應(yīng)用方面投入了很多研究，在東京，由Kawasaki重工有限公司生產(chǎn)的Folium光催化劑產(chǎn)品已成功應(yīng)用于公路路面、隧道、高速公路隔音板和收費站、建筑物外墻等，起到了光催化降解汽車排放尾氣、自清潔等作用[18]。在美國，通過在混凝土表面涂刷有水泥和光催化材料混合而成的薄層，制成光催化水泥和光催化混凝土，使大氣污染物如NOx、SO2分別氧化成硝酸、硫酸而隨雨水排掉[19]。

　　室內(nèi)研究表明優(yōu)質(zhì)TiO2可以達到對NOx200m3/m2·day和對游離有機物(VOC)60m3/m2·day的凈化效率[20]。美國路易斯安那州立大學(xué)研究了納米TiO2在水泥混凝土路面中應(yīng)用時對環(huán)境的影響以及耐久性，還進一步評價了當(dāng)路面受到油污、塵土以及除冰鹽的影響時減污能力的下降趨勢，研究表明路表污染物能使材料光催化性能產(chǎn)生一定程度的下降，其中油污的影響程度最大[21]。在荷蘭和比利時，都開發(fā)出了添加光催化劑的混凝土磚，鋪設(shè)在路面上可有效降解汽車尾氣的污染[22]。

　　在意大利米蘭用光催化劑與水泥的混合漿料涂覆了一條7000m2的馬路，檢測表明對空氣中氮氧化合物的去除效率可達60%，長期使用后測定路面對氮氧化物的降解效率仍可達到20%以上。日本仙臺使用噴灑技術(shù)在瀝青路面噴灑納米二氧化鈦，由于路面形式采用的是大孔隙瀝青混凝土，應(yīng)用一段時間后，在路面孔隙力還能保留一部分二氧化鈦，因此還能保持一定的光催化性能[23]。

　　目前，國內(nèi)對光催化材料在道路上的應(yīng)用也進行了少量研究。東南大學(xué)錢春香等人將納米TiO2水溶液噴涂在水泥混凝土表面，實現(xiàn)了在水泥路面負(fù)載光催化劑。2005年3月在南京長江三橋橋北收費站廣場鋪設(shè)了6000 m2的光催化試驗路，試驗結(jié)果顯示該路段對汽車尾氣中的氮氧化合物有明顯的消除作用。他們還對比研究了負(fù)載型納米TiO2 應(yīng)用于瀝青混凝土表面和水泥混凝土表面對氮氧化物的降解作用，得出水泥混凝土負(fù)載的光催化劑具有較好的光催化功能，而瀝青混合料由于TiO2不易滲透到混凝土內(nèi)部，且瀝青混凝土顏色較深，故光催化功能較差[18] [24]。東北林業(yè)大學(xué)陳萌等通過硅烷偶聯(lián)劑改性TiO2制備了納米光催化劑溶液，然后應(yīng)用到大孔隙瀝青混凝土結(jié)構(gòu)表面，可實現(xiàn)降解汽車尾氣污染物的目的[25]。

　　3.存在問題與展望

　　在道路表面應(yīng)用納米光催化材料由于其所具有的誘人的環(huán)保價值和社會價值，已經(jīng)成為路面材料領(lǐng)域研究的熱點，國內(nèi)外所進行的研究表明在道路上應(yīng)用光催化材料能有效降解汽車尾氣中的污染物，但在研究與應(yīng)用中，仍有諸多問題需要克服：

　　3.1光催化材料在路面上的應(yīng)用形式

　　光催化材料主要使用在水泥混凝土表面，而使用于瀝青混凝土表面的研究較少，少數(shù)研究也僅僅是應(yīng)用于大孔隙瀝青混凝土表面，我國城市道路中多數(shù)采用了密級配或SMA瀝青混凝土，若要實現(xiàn)在普通瀝青路面上的應(yīng)用，需改變應(yīng)用方式。

　　目前光催化材料的應(yīng)用主要有微粒和薄膜兩種形式，微粒形式即將納米光催化顆粒粘結(jié)于基體表面，現(xiàn)在道路上的使用多采用這種方式，薄膜形式即將光催化材料溶膠浸漬于基體表面，再高溫?zé)Y(jié)，使光催化材料強力附著于基體表面。在道路上也使用很多類型的無機材料，比如防滑粒料等，若借鑒高溫?zé)Y(jié)技術(shù)將納米光催化劑薄膜燒結(jié)于防滑粒料表面，再選擇合適的施工工藝如樹脂粘結(jié)等將負(fù)載有納米光催化劑薄膜的防滑粒料應(yīng)用于道路表面，則能實現(xiàn)光催化材料在各種路面上的應(yīng)用。在防滑粒料表面負(fù)載光催化劑薄膜這一過程可在室內(nèi)完成，制備工藝的較易控制，因此，對光催化材料改性的過程也比較容易實現(xiàn)。

　　3.2光催化材料改性工藝

　　目前研究中使用的光催化材料主要是納米TiO2顆粒，由于TiO2禁帶寬度較窄，僅能吸收陽光中紫外線部分的能量，研究表明，可以通過添加光敏劑、引入過渡區(qū)金屬離子、表面酸處理等改性方式提高TiO2的光譜吸收范圍，因此通過何種工藝提高光催化劑降解效率是研究方向之一。

　　光催化材料降解汽車尾氣的機理為光催化劑吸收光線能量后產(chǎn)生光生光穴，光生光穴將吸附于光催化劑表面的污染物降解，由于光生光穴的存在時間極為短暫，污染物需預(yù)先已經(jīng)吸附于光催化劑表面反應(yīng)才有可能發(fā)生，所以采取合適工藝提高光催化材料對汽車尾氣污染物的吸附面積和吸附能力是提高光催化效率的關(guān)鍵之一。

　　3.3對周邊環(huán)境的影響

　　光催化反應(yīng)的降解產(chǎn)物如硝酸鹽等會吸附于光催化材料表面，若長期吸附則會阻隔污染物在光催化材料表面的吸附，影響降解效率，因此需定期有雨水對路面進行沖刷來將降解產(chǎn)物帶走，恢復(fù)表面降解功能，如雨水較少的地區(qū)，需進行人工清洗，沖刷完路面的污水中含有硝酸鹽等物質(zhì)，若任其排放到周邊土壤中勢必對環(huán)境造成二次污染，關(guān)于這點可借鑒對融雪劑污水的處理方式，在路邊鋪設(shè)專用管道收集污水，最終引流到污水處理廠，將污水集中處理，使其不對周邊環(huán)境造成影響。

　　4.小結(jié)

　　光催化降解汽車尾氣是一項前景廣闊的環(huán)保新技術(shù)，非常有價值在我國介紹推廣，但是在應(yīng)用中仍存在諸多問題，如光催化材料的應(yīng)用形式、改性工藝、對周邊環(huán)境的影響等，需科研工作者們一一克服。其中應(yīng)用形式是限制光催化材料在路面應(yīng)用的關(guān)鍵問題，而對材料改性工藝和對周邊環(huán)境影響問題的深入研究有助于光催化材料在路面上更加高效、環(huán)保的應(yīng)用。

　　參考文獻：

　　[1]Fujishima A, Honda K. Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode[J]. Nature.1972(7):37-38.

　　[2]劉亞蘭.活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦光催化劑的制備及性能評價[D].東北林業(yè)大學(xué).2009.

　　[3]R.S.Sonawane S.G.Hegde.M.K.Dongare.Preparation of Titanium(IV)oxide Thin Film Photocatalyst by Solgel Dip Coating[J].Materials Chemistry and Physics, 2002, 77:744-750.

　　[4]M.Langlet,A.Kim,M.Audier,J.M.Herrmann.Sol-Gel Preparation of Photocatalytic TiO2 Films on PolymerSubstrates[J].Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2002 (12):223-234.

　　[5]Mattews R W.Photooxidation of Organic Impurities in Water Using Thin Films of Titanium Dioxide[J].Water Research.1990,24(5):653-660.

　　[6]Mills A.Hunte S L,An Overview of Semiconductor Photocatalysis[J].Photochem. Photobiol. 1997, (108): 1-35.

　　[7]Guan K S.Relationship Between Photocatalytic Activity, Hydrophilicity and Self-cleaning Effect of TiO2/SiO2 Films[J].Surface&Coatings Technology,2005,191 (223):155-160.

　　[8]胡兵.汽車尾氣排放與防治措施[J].科技信息.2010(11): 383-384.

　　[9]常亮.汽車尾氣排放污染現(xiàn)狀及對策[J].經(jīng)濟技術(shù)協(xié)作信息.2010(17):224-224.

　　[10]喻嫦娥.汽車尾氣污染治理對策綜述[J].天津市政工程.2010(2):8-10.

　　[11]顏為軍. TiO2/SiO2復(fù)合氧化物對庚烯/二氧化氮體系復(fù)相光催化作用研究[D].吉林大學(xué).2004.

　　[12]Fank S N, Bard A J.Heterogeneous Photocatalytic Oxidation of Cyanide and Sulfite in Aqueous Solutions at Semicondutor Powders[J].J.Phy.Chem.1977,81(15):1484-1488.

　　[13]Carey J H, Lawrence J,Tosine H M. Photodechlorination of PCB’s in the Presence of Titanium Dioxide in Aqueous Suspensions[J]. Bull.Environ.Contam.Toxicol, 16(6): 697–701.

　　[14]Akira F, Tata N R, Donald A T. Titanium dioxide photocatalysis[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews.2000, 1(1):1-21.

　　[15]Akira F, Tata N R, Donald A T. Titanium dioxide photocatalysis [J]. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 2000, 1(1):19-21.

　　[16]裹川.保持景觀美的低污染涂料 [J].涂料技術(shù),2001(4) : 46-49.

　　[17]瞿金東,彭家惠,陳明鳳,等.自清潔外墻涂料的研究與應(yīng)用[J].涂料工業(yè)，2006(6): 43-45.

　　[18]李麗.南京長江三橋光催化功能性混凝土路去除汽車排放氮氧化物的研究[D].河南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版.2009(2): 49-52.

　　[19]Dylla.H, Hassan.M.M, Mohammad.L, Rupnow.T. Evaluation of the Environmental Effectiveness of Titanium Dioxide Photocatalyst Coating for Concretepavements[C]. Journal of the Transportation Research Record.2010 .

　　[20]Gina Barkalow.Evaluation Of Titanium Dioxide As A Photocatalyst For Removing Air Pollutants[R].Califfornia Energy Commission.2008.

　　[21]Heather Dylla. Effects of Roadway Contaminants on Titanium Dioxide Photodegradation of NOx[C].Transportation Research Board.2011.

　　[22] Anne BEELDENS. An environmental friendly solution for air purification and self-cleaning effect: the application of TIO2 as photocatalyst in concrete[R]. Belgian Road Research Centre.

　　[23]Photocatalyst Coating Agents,a Proposal of Advanced Environmental Purification Technologies[EB/OL].http://www.khi.co.jp/folium,2004

　　[24]錢春香.路面材料負(fù)載納米二氧化鈦光催化降解氮氧化物[J].硅酸鹽學(xué)報.2005(4): 422-427.

　　[25]陳萌.瀝青路面光催化環(huán)保材料的制備試驗分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報.2010(5): 142-144.