光催化在水泥基材料中的应用研究进展

尚百雨 王金祥

摘  要：时代的发展和环境问题的加剧使得传统水泥基材料已不能满足当下人们的需要，研发具有新功能的水泥基材料显得尤为重要。半导体材料因其稳定、经济、无毒等特性而成为光催化领域的研究热点。以TiO2为代表的半导体光催化材料及其相关技术的出现，为传统水泥基材料的功能化转型提供了可能。文章综述了TiO2光催化剂在水泥基材料领域中应用的研究现状，同时提出了目前该研究领域所存在的问题。

关键词：水泥基材料;TiO2;光催化;研究进展

中图分类号：TU528         文献标志码：A         文章编号：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

科技的快速發展给人类带来了舒适和便捷，但同时也带来了环境与能源问题。能源与环境成为二十一世纪亟需解决的问题。在未来的发展中，如何进行能源的可持续发展和有效解决环境污染问题成为了当今全球性最普遍关注的课题之一。人们不仅开始关注周围的自然环境，也更加关注自己的居住环境，对建筑和建筑材料有了更高的要求。因此，与环境协调发展，并且具有优异的性能、优良的功能、高效的重复利用率以及良好的可降解性能的健康、环保、安全的绿色水泥基材料成为建材领域的主流发展方向之一。

作为国民经济重要基础原材料的水泥基材料本身在制备过程中就与能源、环境、资源、环保等问题息息相关，在其被大规模使用后如果不但能完成其建筑使命，而且在未来的可持续发展过程中，利用清洁能源来解决环境问题成为国际社会关注的重要领域。

2 半导体光催化的原理

光催化是利用自然界中的光能将液态（水）、气态（空气）和固态（土壤）中的有机污染物完全转化为水、二氧化碳和无机盐等无危害小分子的一种高效安全的技术。半导体材料因为稳定、经济、无毒等特性而成为光催化领域的研究热点。

半导体材料能带结构包括能量较低的价带和能量较高的导带，两者之间的区域叫禁带。当颗粒被光照射，且光照强度大于禁带宽度的时候，价带上的电子会变为激发态，并且跃迁到高能的导带上，而价带上会有相应的空穴产生。结果生成了电子-空穴对。导带中的电子具有强还原性;价带中的空穴则有着较高的氧化电势。颗粒的表面往往吸附着很多水和氧气，电子会与氧气反应生成·O2-，而空穴会与水反应生成·OH，它们与吸附在催化剂表面的染料发生反应，生成水和二氧化碳，从而降解了染料。

3 纳米TiO2光催化剂在水泥中的研究现状

自改革开放以来，我国经济高速发展，其中体现之一就是各类大中小型工程建设的投资和施工。水泥基材料作为目前用量最大、应用面积最广的建筑材料，在土木工程建设中起到了举足轻重的作用。随着生活水平的提高，人们对生活质量的要求也越来越高。传统的水泥基材料已不能满足当下生产建设的需要，研制具有新功能的新型水泥基材料显得尤为重要。纳米TiO2半导体光催化材料因具有高效、环保、廉价、易制备等优点而被广泛的应用到水泥基材料领域。TiO2在保留了水泥基材料传统功能的基础上，还具备了降解污染物、去除有害气体等功能，实现了水泥基材料的多功能化应用，因此获得广泛的研究。实验还证实，水泥基材料本身的碱性对光催化性能没有影响，这就为光催化剂在水泥材料中的应用提供了依据。光催化剂-水泥基材料除了具有降解有机污染物的能力之外，还具备去除氮氧化物的能力。徐名凤等人认为，光催化水泥基材料是一种多功能化的复合建筑材料，这种材料充分利用了光催化剂在紫外光激发条件下产生的羟基自由基等活性物质与氮氧化物反应，实现了净化空气的功能。在实际工程应用中，砂浆混凝土等水泥基材料的化学稳定性、多孔结构、碱性环境等特点为负载TiO2纳米光催化剂以实现氮氧化物去除提供了有利的条件。AzamYousefi等人探究了纳米TiO2粉末的分散性对水泥基材料光催化性能的影响。结果表明，纳米TiO2在与水泥浆的常规混合中会发生高度团聚现象，导致光催化活性大大降低。而通过将颗粒适当地分散在饱和石灰水中，然后在与水泥混合之前进行超声处理，可有效避免纳米TiO2颗粒在与水泥混合过程中的团聚发生。这种TiO2颗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线和可见光照射下的光催化性能显著增强。在光催化水泥基材料的研究过程中，水泥基材料气体扩散性差和透光性能差这两个缺陷一直是科研人员想要克服的重点问题。Wang等人采用负压共搅拌法合成了一种新型的TiO2光催化剂/多孔结构镁质水泥基复合材料，以提高TiO2在水泥材料中的光催化作用和利用率。结果表明，多孔结构不仅有利于TiO2纳米颗粒的分散，还为TiO2提供了更多的活性位点和较大的催化面积。而且，多孔结构的基体材料具有良好的气体扩散和透光性能，这也极大地提高了TiO2纳米催化剂的光催化效果和利用率。重复使用结果证实TiO2光催化剂/多孔结构镁质水泥基复合材料具有出色的重复使用性能。TiO2-水泥基复合材料的研究方兴未艾，其具备的降解污染物的新颖功能使得传统水泥基材料焕发出新的光彩。但是，在TiO2负载方式及负载容量、光催化反应动力学、TiO2-水泥基复合材料水化动力学、物质相互作用等方面仍然需要进一步的探究。

4 存在的问题

纳米TiO2光催化材料在水泥基材料方面的应用，使建筑材料在发挥传统功能的基础上，具有了新型功能。在推动传统建筑材料的功能化转型的同时，又保护了环境、提升了人们的生活质量。但是，纳米TiO2光催化剂在实际应用中仍然存在一些问题。其一，TiO2的改性问题。由于TiO2的带隙较宽，所以只能在紫外光的激发下发挥作用，这就使得光能的利用率大大下降。而且，TiO2的光生电子-空穴对的复合速率比较快，也会导致光催化活性的降低。因此，找到合适的方法来改性TiO2，使其光吸收范围能够拓宽到可见光区，同时延长光生载流子的寿命是一项重要的任务。其二，稳定性和耐久性问题。建筑材料的用途和使用环境要求纳米TiO2催化剂必须具备优良的稳定性和耐久性。其三，催化剂与建筑材料的相互作用问题。无论是将催化剂涂敷在建筑材料表面使用，还是与建筑材料混合之后使用，都不可避免的会使得催化剂与建筑材料相接触，可能导致二者之间发生相互作用，不利的结果就是使得催化剂或建筑材料的性能降低，产生适得其反的后果。其四，产物的去除问题。由于光催化过程是发生在催化剂的表面，为了保证持续高效的光催化效果，就必须快速的将光催化产物从催化剂表面去除。这对于光催化剂的实际应用至关重要。其五，标准化和产业化问题。怎样去定义建筑材料中光催化剂性能的好坏，一直是一个存在争议的话题，目前行业内还未就此问题达成一致的看法。当下，光催化这一技术尚未实现规模化、产业化应用。可以预见，随着该项技术的大规模应用，特别是建材领域的普及应用，标准化问题也会随之解决。

参考文献：

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