光催化在水泥基材料中的應(yīng)用研究進(jìn)展

尚百雨 王金祥

摘 ?要：時(shí)代的發(fā)展和環(huán)境問題的加劇使得傳統(tǒng)水泥基材料已不能滿足當(dāng)下人們的需要，研發(fā)具有新功能的水泥基材料顯得尤為重要。半導(dǎo)體材料因其穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、無毒等特性而成為光催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。以TiO2為代表的半導(dǎo)體光催化材料及其相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)水泥基材料的功能化轉(zhuǎn)型提供了可能。文章綜述了TiO2光催化劑在水泥基材料領(lǐng)域中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，同時(shí)提出了目前該研究領(lǐng)域所存在的問題。

關(guān)鍵詞：水泥基材料;TiO2;光催化;研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TU528 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）32-0084-02

Abstract： The traditional cement matrix composites do not meet with the requirements of people due to the quick times development and serious envioronmental pollution. Therefore， it is very important to explore the novel cement matrix composites with new functions. Semiconductor materials have become one of research focuses of photocatalysis. The emergence of semicondutor materials ?represented by titanium oxide and their relate technologies provide the possibility of functionalization for traditional cement. In the paper， the applied research present situations of titanium oxide photocatalyst are summarized. Meanwhile， the present problems of the research field are proposed.

Keywords： cement matrix materials; TiO2; photocatalysis; research advancement

1 概述

科技的快速發(fā)展給人類帶來了舒適和便捷，但同時(shí)也帶來了環(huán)境與能源問題。能源與環(huán)境成為二十一世紀(jì)亟需解決的問題。在未來的發(fā)展中，如何進(jìn)行能源的可持續(xù)發(fā)展和有效解決環(huán)境污染問題成為了當(dāng)今全球性最普遍關(guān)注的課題之一。人們不僅開始關(guān)注周圍的自然環(huán)境，也更加關(guān)注自己的居住環(huán)境，對(duì)建筑和建筑材料有了更高的要求。因此，與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，并且具有優(yōu)異的性能、優(yōu)良的功能、高效的重復(fù)利用率以及良好的可降解性能的健康、環(huán)保、安全的綠色水泥基材料成為建材領(lǐng)域的主流發(fā)展方向之一。

作為國民經(jīng)濟(jì)重要基礎(chǔ)原材料的水泥基材料本身在制備過程中就與能源、環(huán)境、資源、環(huán)保等問題息息相關(guān)，在其被大規(guī)模使用后如果不但能完成其建筑使命，而且在未來的可持續(xù)發(fā)展過程中，利用清潔能源來解決環(huán)境問題成為國際社會(huì)關(guān)注的重要領(lǐng)域。

2 半導(dǎo)體光催化的原理

光催化是利用自然界中的光能將液態(tài)（水）、氣態(tài)（空氣）和固態(tài)（土壤）中的有機(jī)污染物完全轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳和無機(jī)鹽等無危害小分子的一種高效安全的技術(shù)。半導(dǎo)體材料因?yàn)榉€(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、無毒等特性而成為光催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)包括能量較低的價(jià)帶和能量較高的導(dǎo)帶，兩者之間的區(qū)域叫禁帶。當(dāng)顆粒被光照射，且光照強(qiáng)度大于禁帶寬度的時(shí)候，價(jià)帶上的電子會(huì)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，并且躍遷到高能的導(dǎo)帶上，而價(jià)帶上會(huì)有相應(yīng)的空穴產(chǎn)生。結(jié)果生成了電子-空穴對(duì)。導(dǎo)帶中的電子具有強(qiáng)還原性;價(jià)帶中的空穴則有著較高的氧化電勢(shì)。顆粒的表面往往吸附著很多水和氧氣，電子會(huì)與氧氣反應(yīng)生成·O2-，而空穴會(huì)與水反應(yīng)生成·OH，它們與吸附在催化劑表面的染料發(fā)生反應(yīng)，生成水和二氧化碳，從而降解了染料。

3 納米TiO2光催化劑在水泥中的研究現(xiàn)狀

自改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，其中體現(xiàn)之一就是各類大中小型工程建設(shè)的投資和施工。水泥基材料作為目前用量最大、應(yīng)用面積最廣的建筑材料，在土木工程建設(shè)中起到了舉足輕重的作用。隨著生活水平的提高，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來越高。傳統(tǒng)的水泥基材料已不能滿足當(dāng)下生產(chǎn)建設(shè)的需要，研制具有新功能的新型水泥基材料顯得尤為重要。納米TiO2半導(dǎo)體光催化材料因具有高效、環(huán)保、廉價(jià)、易制備等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用到水泥基材料領(lǐng)域。TiO2在保留了水泥基材料傳統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，還具備了降解污染物、去除有害氣體等功能，實(shí)現(xiàn)了水泥基材料的多功能化應(yīng)用，因此獲得廣泛的研究。實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，水泥基材料本身的堿性對(duì)光催化性能沒有影響，這就為光催化劑在水泥材料中的應(yīng)用提供了依據(jù)。光催化劑-水泥基材料除了具有降解有機(jī)污染物的能力之外，還具備去除氮氧化物的能力。徐名鳳等人認(rèn)為，光催化水泥基材料是一種多功能化的復(fù)合建筑材料，這種材料充分利用了光催化劑在紫外光激發(fā)條件下產(chǎn)生的羥基自由基等活性物質(zhì)與氮氧化物反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了凈化空氣的功能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，砂漿混凝土等水泥基材料的化學(xué)穩(wěn)定性、多孔結(jié)構(gòu)、堿性環(huán)境等特點(diǎn)為負(fù)載TiO2納米光催化劑以實(shí)現(xiàn)氮氧化物去除提供了有利的條件。AzamYousefi等人探究了納米TiO2粉末的分散性對(duì)水泥基材料光催化性能的影響。結(jié)果表明，納米TiO2在與水泥漿的常規(guī)混合中會(huì)發(fā)生高度團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致光催化活性大大降低。而通過將顆粒適當(dāng)?shù)胤稚⒃陲柡褪宜校缓笤谂c水泥混合之前進(jìn)行超聲處理，可有效避免納米TiO2顆粒在與水泥混合過程中的團(tuán)聚發(fā)生。這種TiO2顆粒的有效分散以及后期CaTiO3的形成，使得光催化水泥基材料在紫外線和可見光照射下的光催化性能顯著增強(qiáng)。在光催化水泥基材料的研究過程中，水泥基材料氣體擴(kuò)散性差和透光性能差這兩個(gè)缺陷一直是科研人員想要克服的重點(diǎn)問題。Wang等人采用負(fù)壓共攪拌法合成了一種新型的TiO2光催化劑/多孔結(jié)構(gòu)鎂質(zhì)水泥基復(fù)合材料，以提高TiO2在水泥材料中的光催化作用和利用率。結(jié)果表明，多孔結(jié)構(gòu)不僅有利于TiO2納米顆粒的分散，還為TiO2提供了更多的活性位點(diǎn)和較大的催化面積。而且，多孔結(jié)構(gòu)的基體材料具有良好的氣體擴(kuò)散和透光性能，這也極大地提高了TiO2納米催化劑的光催化效果和利用率。重復(fù)使用結(jié)果證實(shí)TiO2光催化劑/多孔結(jié)構(gòu)鎂質(zhì)水泥基復(fù)合材料具有出色的重復(fù)使用性能。TiO2-水泥基復(fù)合材料的研究方興未艾，其具備的降解污染物的新穎功能使得傳統(tǒng)水泥基材料煥發(fā)出新的光彩。但是，在TiO2負(fù)載方式及負(fù)載容量、光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、TiO2-水泥基復(fù)合材料水化動(dòng)力學(xué)、物質(zhì)相互作用等方面仍然需要進(jìn)一步的探究。

4 存在的問題

納米TiO2光催化材料在水泥基材料方面的應(yīng)用，使建筑材料在發(fā)揮傳統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，具有了新型功能。在推動(dòng)傳統(tǒng)建筑材料的功能化轉(zhuǎn)型的同時(shí)，又保護(hù)了環(huán)境、提升了人們的生活質(zhì)量。但是，納米TiO2光催化劑在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問題。其一，TiO2的改性問題。由于TiO2的帶隙較寬，所以只能在紫外光的激發(fā)下發(fā)揮作用，這就使得光能的利用率大大下降。而且，TiO2的光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合速率比較快，也會(huì)導(dǎo)致光催化活性的降低。因此，找到合適的方法來改性TiO2，使其光吸收范圍能夠拓寬到可見光區(qū)，同時(shí)延長光生載流子的壽命是一項(xiàng)重要的任務(wù)。其二，穩(wěn)定性和耐久性問題。建筑材料的用途和使用環(huán)境要求納米TiO2催化劑必須具備優(yōu)良的穩(wěn)定性和耐久性。其三，催化劑與建筑材料的相互作用問題。無論是將催化劑涂敷在建筑材料表面使用，還是與建筑材料混合之后使用，都不可避免的會(huì)使得催化劑與建筑材料相接觸，可能導(dǎo)致二者之間發(fā)生相互作用，不利的結(jié)果就是使得催化劑或建筑材料的性能降低，產(chǎn)生適得其反的后果。其四，產(chǎn)物的去除問題。由于光催化過程是發(fā)生在催化劑的表面，為了保證持續(xù)高效的光催化效果，就必須快速的將光催化產(chǎn)物從催化劑表面去除。這對(duì)于光催化劑的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。其五，標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化問題。怎樣去定義建筑材料中光催化劑性能的好壞，一直是一個(gè)存在爭議的話題，目前行業(yè)內(nèi)還未就此問題達(dá)成一致的看法。當(dāng)下，光催化這一技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，隨著該項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，特別是建材領(lǐng)域的普及應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)化問題也會(huì)隨之解決。

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