二氧化鈦光催化混凝土的應用研究進展

楊雪薇

長江大學城市建設學院（434023）

0 前言

隨著社會科技和經濟的不斷進步，汽車尾氣和其他工業氣體排放越來越多，所造成的環境問題也越來越嚴重， 空氣中的NO 和NOx 的含量越來越高，并且出現的范圍越來越大，給污染的治理和防范都帶來了很大難度，帶來了一系列環境問題。 含有二氧化鈦的混凝土可以充當催化劑的作用，通過一系列反應，除去空氣中的氮氧化物，因此成為治理霧霾的新型材料。如南京長江三橋就通過光催化功能性混凝土路去除汽車排放氮氧化物，并取得了良好效果[1]。 文章重點總結了近年來二氧化鈦在混凝土中的應用及在現階段的實際應用中存在的問題，并提出了合理化的建議，以便更好地促進二氧化鈦在混凝土方面的應用研究。

1 二氧化鈦混凝土的研究進展

近年來，汽車尾氣所帶來的污染成為是城市大氣污染的主要因素之一，因此，如何解決汽車尾氣的污染，成了許多科學家關注的問題。 國內外許多學者都在這一方面進行了研究，并取得了一系列成果。 如東南林業大學陳萌等[2]根據納米TiO2的光催化作用，將納米TiO2配置成滲透液涂抹在混凝土表面，制備水泥光催化活性路面材料，用來凈化車輛排放的氮氧化合物尾氣。 TiO2不光能用在道路上，也能應用在建筑物上，以保持建筑物的干凈。 如將負載二氧化鈦納米顆粒白水泥涂抹在迪拜體育城中板球體育場屋頂上，即可以使建筑物維持外觀的干凈，也可以改善空氣質量[3]。

2 制備光催化混凝土的方法

摻入式和涂覆式是主要的兩種混凝土負載TiO2的方式。 摻入式是將TiO2直接加入混凝土，涂覆式是將TiO2制成水性溶液， 涂覆或噴灑在混凝土表面。 Hüsken 等[4]通過將人行道表面使用內摻法加入TiO2光催化劑制成光催化劑涂覆混凝土，并研究其耐磨性能和光催化性能。 試驗發現，光催化劑涂覆混凝土具有良好的耐磨性和去除氮氧化物的效果。 Bo Yeon Lee 等[5]使用內摻法在混凝土制作過程中直接將TiO2和水泥混合制成具有光催化性能的混凝土，并研究它去除NO 和TiO2的效果，進一步探究TiO2和水泥水化過程的機理。 Qin 等[6]比較了內摻法和涂覆法光催化劑混凝土去除氮氧化物的效果。 Hoda Jafari 等[7]用納米二氧化鈦和二氧化硅混合形成納米TiO2-SiO2，的溶膠凝液涂覆在混凝土表面， 并研究降解液的使用情況和去除NO 和NO2的效果。

3 TiO2 對水泥材料性能的影響

在水泥混凝土中摻入TiO2，對于水泥混凝土性能會造成什么樣的影響一直備受關注。 作為一種新型摻和材料，國內外對于TiO2摻入水泥混凝土研究在近幾年也備受學者的關注，已有的研究證實了水泥的種類對于TiO2光催化效果影響不大[8]，驗證了TiO2負載水泥基材料的可行性。納米TiO2具有自身比表面積大的特點，摻入水泥后會加速水泥的水化[9]，導致混凝土強度具有早強后弱的特點[10]。 通過綜合已有的研究發現，3%～5%是TiO2的最優摻量。 摻入的TiO2過多，會影響混凝土后期的強度；摻入的TiO2過少，影響催化反應的效率。 目前許多學者在研究通過摻入粉煤灰等外加劑提高混凝土后期強度。

4 提高二氧化鈦光催化劑性能的方法

盡管TiO2具有去除氮氧化物的優良特性，但是納米TiO2制作困難，并對光照、溫度要求特別高，只能利用特定波長的光源，這導致光催化混凝土轉化氮氧化物的效率很低，成本很高，給大規模推廣使用帶來了很大困難， 因此，TiO2材料改性就成了研究前沿。提高二氧化鈦光催化劑性能的方法有：貴金屬沉積，半導體復合，摻雜半導體，其他方法。

近年來，許多科學家在TiO2材料改性方面作了很多研究并取得了一定效果，如安徽理工大學田浩等[11]利用溶膠凝膠法制備了黑色C-TiO2光催化混凝土和光還原法-溶膠凝膠法制備了Ag-TiO2光催化混凝土，研究它們去除NO 的效率，通過改變材料的物理性質，利用水熱法制備了TiO2納米線光催化混凝土，并探究TiO2納米線光催化混凝土的耐磨性和去除NO 的效率。

5 結語

目前二氧化鈦主要應用于降解環境NO 等有害物質，效果顯著，在實際應用中也取得了一定進展，但仍有一些問題需要解決：

①優化TiO2摻入混凝土的方式，減少使用過程中TiO2的消耗，提高光催化混凝土的耐久度，使用最少的TiO2得到最優氮氧化物的轉換效率，使二氧化鈦混凝土更加經濟使用，能夠大規模投入實際使用；②探究納米TiO2在低溫、光照條件下的去除氮氧化物的效率；③通過改良TiO2材料的性能，如分子結構或摻入其他化合物， 提高TiO2效率， 降低TiO2的制作成本；④探索摻入TiO2對于水泥混凝土水化性能和水化產物的影響。