材料科技工程師論文發表納米光催化材料研究

　　摘要：綜述了國內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，認為在瀝青路面中的應用存在較多問題，若要實現光催化材料在路面上的大規模推廣，需突破光催化材料應用形式這一關鍵問題。

　　關鍵詞：材料科技,工程師論文發表,納米光催化,材料研究

　　半導體光催化技術是一門新興的環保技術，光催化是指光催化劑吸收光后對物質所發生的光化學反應，可將光能轉化為化學能，促進有機物的合成或分解，自1972年日本東京大學藤島昭等人發現現受輻射后的TiO2 電極上能發生持續氧化還原反應以來[1]，半導體光催化研究正處于快速發展階段，已被成功應用于工業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化為二氧化碳和硝酸鹽等，從而實現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，因此白天能夠產生更好的降解效果。光催化劑降解污染物所形成的產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，從而產生自清潔效應，有利于恢復材料表面催化降解功能，實現再生利用。

　　2.國內外研究現狀

　　在汽車尾氣污染愈發嚴重的今天，國內外對路面納米光催化降解汽車尾氣污染物技術展開了一系列研究。納米光催化材料的應用形式主要借鑒了在墻體中的應用形式，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域的國家，在應用方面投入了很多研究，在東京，由Kawasaki重工有限公司生產的Folium光催化劑產品已成功應用于公路路面、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]。

　　室內研究表明優質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研究了納米TiO2在水泥混凝土路面中應用時對環境的影響以及耐久性，還進一步評價了當路面受到油污、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，都開發出了添加光催化劑的混凝土磚，鋪設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，國內對光催化材料在道路上的應用也進行了少量研究。東南大學錢春香等人將納米TiO2水溶液噴涂在水泥混凝土表面，實現了在水泥路面負載光催化劑。2005年3月在南京長江三橋橋北收費站廣場鋪設了6000 m2的光催化試驗路，試驗結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載型納米TiO2 應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]。東北林業大學陳萌等通過硅烷偶聯劑改性TiO2制備了納米光催化劑溶液，然后應用到大孔隙瀝青混凝土結構表面，可實現降解汽車尾氣污染物的目的[25]。

　　3.存在問題與展望

　　在道路表面應用納米光催化材料由于其所具有的誘人的環保價值和社會價值，已經成為路面材料領域研究的熱點，國內外所進行的研究表明在道路上應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，少數研究也僅僅是應用于大孔隙瀝青混凝土表面，我國城市道路中多數采用了密級配或SMA瀝青混凝土，若要實現在普通瀝青路面上的應用，需改變應用方式。

　　目前光催化材料的應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于基體表面，現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，再高溫燒結，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，若借鑒高溫燒結技術將納米光催化劑薄膜燒結于防滑粒料表面，再選擇合適的施工工藝如樹脂粘結等將負載有納米光催化劑薄膜的防滑粒料應用于道路表面，則能實現光催化材料在各種路面上的應用。在防滑粒料表面負載光催化劑薄膜這一過程可在室內完成，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。

　　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，污染物需預先已經吸附于光催化劑表面反應才有可能發生，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鍵之一。

　　3.3對周邊環境的影響

　　光催化反應的降解產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物帶走，恢復表面降解功能，如雨水較少的地區，需進行人工清洗，沖刷完路面的污水中含有硝酸鹽等物質，若任其排放到周邊土壤中勢必對環境造成二次污染，關于這點可借鑒對融雪劑污水的處理方式，在路邊鋪設專用管道收集污水，最終引流到污水處理廠，將污水集中處理，使其不對周邊環境造成影響。

　　4.小結

　　光催化降解汽車尾氣是一項前景廣闊的環保新技術，非常有價值在我國介紹推廣，但是在應用中仍存在諸多問題，如光催化材料的應用形式、改性工藝、對周邊環境的影響等，需科研工作者們一一克服。其中應用形式是限制光催化材料在路面應用的關鍵問題，而對材料改性工藝和對周邊環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、環保的應用。

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