材料科技工程师论文发表纳米光催化材料研究

　　摘要：综述了国内外纳米光催化路面材料的研究进展，并对研究进程中存在的问题进行了分析，认为在沥青路面中的应用存在较多问题，若要实现光催化材料在路面上的大规模推广，需突破光催化材料应用形式这一关键问题。

　　关键词：材料科技,工程师论文发表,纳米光催化,材料研究

　　半导体光催化技术是一门新兴的环保技术，光催化是指光催化剂吸收光后对物质所发生的光化学反应，可将光能转化为化学能，促进有机物的合成或分解，自1972年日本东京大学藤岛昭等人发现现受辐射后的TiO2 电极上能发生持续氧化还原反应以来[1]，半导体光催化研究正处于快速发展阶段，已被成功应用于工业废气废水的降解处理[2-7]。由于汽车尾气排出后首先接触的是路面，若能将光催化剂负载于路面，利用阳光净化汽车尾气中的污染物，则能成为一种新型防治汽车尾气污染的方法。

　　1.光催化降解汽车尾气机理分析

　　光催化剂在吸收光线能量后，可将吸附于表面的一氧化碳、氮氧化合物和碳氢化合物转化为二氧化碳和硝酸盐等，从而实现对汽车尾气污染物的降解。下面以二氧化钛为例介绍光催化剂对污染物的降解过程：二氧化钛受紫外线激发后生成光生电子与空穴光催化材料表面吸附的O2与和反应生成具有强氧化性的活性氧可与TiO2上吸附的水分子或氢氧根反应它具有强氧化性可将表面吸附的污染物彻底氧化[11-14]。白天是汽车出行的高峰期，而光催化剂在紫外光或自然光条件下催化效率更高，因此白天能够产生更好的降解效果。光催化剂降解污染物所形成的产物会吸附在催化剂表面，由于纳米光催化剂材料表面在光线作用下会生成亲水基(-OH)，使表面产生超亲水性[15-17]，超亲水表面使污染物很容易被雨水冲刷干净，从而产生自清洁效应，有利于恢复材料表面催化降解功能，实现再生利用。

　　2.国内外研究现状

　　在汽车尾气污染愈发严重的今天，国内外对路面纳米光催化降解汽车尾气污染物技术展开了一系列研究。纳米光催化材料的应用形式主要借鉴了在墙体中的应用形式，掺加方式主要有三种：(1)将TiO2加入水泥中做成水泥超薄面层(2)将水溶性TiO2直接喷洒到混凝土表面(3)在水泥混凝土固化前撒TiO2。日本作为最先研究这一领域的国家，在应用方面投入了很多研究，在东京，由Kawasaki重工有限公司生产的Folium光催化剂产品已成功应用于公路路面、隧道、高速公路隔音板和收费站、建筑物外墙等，起到了光催化降解汽车排放尾气、自清洁等作用[18]。在美国，通过在混凝土表面涂刷有水泥和光催化材料混合而成的薄层，制成光催化水泥和光催化混凝土，使大气污染物如NOx、SO2分别氧化成硝酸、硫酸而随雨水排掉[19]。

　　室内研究表明优质TiO2可以达到对NOx200m3/m2·day和对游离有机物(VOC)60m3/m2·day的净化效率[20]。美国路易斯安那州立大学研究了纳米TiO2在水泥混凝土路面中应用时对环境的影响以及耐久性，还进一步评价了当路面受到油污、尘土以及除冰盐的影响时减污能力的下降趋势，研究表明路表污染物能使材料光催化性能产生一定程度的下降，其中油污的影响程度最大[21]。在荷兰和比利时，都开发出了添加光催化剂的混凝土砖，铺设在路面上可有效降解汽车尾气的污染[22]。

　　在意大利米兰用光催化剂与水泥的混合浆料涂覆了一条7000m2的马路，检测表明对空气中氮氧化合物的去除效率可达60%，长期使用后测定路面对氮氧化物的降解效率仍可达到20%以上。日本仙台使用喷洒技术在沥青路面喷洒纳米二氧化钛，由于路面形式采用的是大孔隙沥青混凝土，应用一段时间后，在路面孔隙力还能保留一部分二氧化钛，因此还能保持一定的光催化性能[23]。

　　目前，国内对光催化材料在道路上的应用也进行了少量研究。东南大学钱春香等人将纳米TiO2水溶液喷涂在水泥混凝土表面，实现了在水泥路面负载光催化剂。2005年3月在南京长江三桥桥北收费站广场铺设了6000 m2的光催化试验路，试验结果显示该路段对汽车尾气中的氮氧化合物有明显的消除作用。他们还对比研究了负载型纳米TiO2 应用于沥青混凝土表面和水泥混凝土表面对氮氧化物的降解作用，得出水泥混凝土负载的光催化剂具有较好的光催化功能，而沥青混合料由于TiO2不易渗透到混凝土内部，且沥青混凝土颜色较深，故光催化功能较差[18] [24]。东北林业大学陈萌等通过硅烷偶联剂改性TiO2制备了纳米光催化剂溶液，然后应用到大孔隙沥青混凝土结构表面，可实现降解汽车尾气污染物的目的[25]。

　　3.存在问题与展望

　　在道路表面应用纳米光催化材料由于其所具有的诱人的环保价值和社会价值，已经成为路面材料领域研究的热点，国内外所进行的研究表明在道路上应用光催化材料能有效降解汽车尾气中的污染物，但在研究与应用中，仍有诸多问题需要克服：

　　3.1光催化材料在路面上的应用形式

　　光催化材料主要使用在水泥混凝土表面，而使用于沥青混凝土表面的研究较少，少数研究也仅仅是应用于大孔隙沥青混凝土表面，我国城市道路中多数采用了密级配或SMA沥青混凝土，若要实现在普通沥青路面上的应用，需改变应用方式。

　　目前光催化材料的应用主要有微粒和薄膜两种形式，微粒形式即将纳米光催化颗粒粘结于基体表面，现在道路上的使用多采用这种方式，薄膜形式即将光催化材料溶胶浸渍于基体表面，再高温烧结，使光催化材料强力附着于基体表面。在道路上也使用很多类型的无机材料，比如防滑粒料等，若借鉴高温烧结技术将纳米光催化剂薄膜烧结于防滑粒料表面，再选择合适的施工工艺如树脂粘结等将负载有纳米光催化剂薄膜的防滑粒料应用于道路表面，则能实现光催化材料在各种路面上的应用。在防滑粒料表面负载光催化剂薄膜这一过程可在室内完成，制备工艺的较易控制，因此，对光催化材料改性的过程也比较容易实现。

　　3.2光催化材料改性工艺

　　目前研究中使用的光催化材料主要是纳米TiO2颗粒，由于TiO2禁带宽度较窄，仅能吸收阳光中紫外线部分的能量，研究表明，可以通过添加光敏剂、引入过渡区金属离子、表面酸处理等改性方式提高TiO2的光谱吸收范围，因此通过何种工艺提高光催化剂降解效率是研究方向之一。

　　光催化材料降解汽车尾气的机理为光催化剂吸收光线能量后产生光生光穴，光生光穴将吸附于光催化剂表面的污染物降解，由于光生光穴的存在时间极为短暂，污染物需预先已经吸附于光催化剂表面反应才有可能发生，所以采取合适工艺提高光催化材料对汽车尾气污染物的吸附面积和吸附能力是提高光催化效率的关键之一。

　　3.3对周边环境的影响

　　光催化反应的降解产物如硝酸盐等会吸附于光催化材料表面，若长期吸附则会阻隔污染物在光催化材料表面的吸附，影响降解效率，因此需定期有雨水对路面进行冲刷来将降解产物带走，恢复表面降解功能，如雨水较少的地区，需进行人工清洗，冲刷完路面的污水中含有硝酸盐等物质，若任其排放到周边土壤中势必对环境造成二次污染，关于这点可借鉴对融雪剂污水的处理方式，在路边铺设专用管道收集污水，最终引流到污水处理厂，将污水集中处理，使其不对周边环境造成影响。

　　4.小结

　　光催化降解汽车尾气是一项前景广阔的环保新技术，非常有价值在我国介绍推广，但是在应用中仍存在诸多问题，如光催化材料的应用形式、改性工艺、对周边环境的影响等，需科研工作者们一一克服。其中应用形式是限制光催化材料在路面应用的关键问题，而对材料改性工艺和对周边环境影响问题的深入研究有助于光催化材料在路面上更加高效、环保的应用。

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