光催化在水泥基材料中的應用研究進展

尚百雨 王金祥

摘 ?要：時代的發展和環境問題的加劇使得傳統水泥基材料已不能滿足當下人們的需要，研發具有新功能的水泥基材料顯得尤為重要。半導體材料因其穩定、經濟、無毒等特性而成為光催化領域的研究熱點。以TiO2為代表的半導體光催化材料及其相關技術的出現，為傳統水泥基材料的功能化轉型提供了可能。文章綜述了TiO2光催化劑在水泥基材料領域中應用的研究現狀，同時提出了目前該研究領域所存在的問題。

關鍵詞：水泥基材料;TiO2;光催化;研究進展

中圖分類號：TU528 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

科技的快速發展給人類帶來了舒適和便捷，但同時也帶來了環境與能源問題。能源與環境成為二十一世紀亟需解決的問題。在未來的發展中，如何進行能源的可持續發展和有效解決環境污染問題成為了當今全球性最普遍關注的課題之一。人們不僅開始關注周圍的自然環境，也更加關注自己的居住環境，對建筑和建筑材料有了更高的要求。因此，與環境協調發展，并且具有優異的性能、優良的功能、高效的重復利用率以及良好的可降解性能的健康、環保、安全的綠色水泥基材料成為建材領域的主流發展方向之一。

作為國民經濟重要基礎原材料的水泥基材料本身在制備過程中就與能源、環境、資源、環保等問題息息相關，在其被大規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發展過程中，利用清潔能源來解決環境問題成為國際社會關注的重要領域。

2 半導體光催化的原理

光催化是利用自然界中的光能將液態（水）、氣態（空氣）和固態（土壤）中的有機污染物完全轉化為水、二氧化碳和無機鹽等無危害小分子的一種高效安全的技術。半導體材料因為穩定、經濟、無毒等特性而成為光催化領域的研究熱點。

半導體材料能帶結構包括能量較低的價帶和能量較高的導帶，兩者之間的區域叫禁帶。當顆粒被光照射，且光照強度大于禁帶寬度的時候，價帶上的電子會變為激發態，并且躍遷到高能的導帶上，而價帶上會有相應的空穴產生。結果生成了電子-空穴對。導帶中的電子具有強還原性;價帶中的空穴則有著較高的氧化電勢。顆粒的表面往往吸附著很多水和氧氣，電子會與氧氣反應生成·O2-，而空穴會與水反應生成·OH，它們與吸附在催化劑表面的染料發生反應，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狀

自改革開放以來，我國經濟高速發展，其中體現之一就是各類大中小型工程建設的投資和施工。水泥基材料作為目前用量最大、應用面積最廣的建筑材料，在土木工程建設中起到了舉足輕重的作用。隨著生活水平的提高，人們對生活質量的要求也越來越高。傳統的水泥基材料已不能滿足當下生產建設的需要，研制具有新功能的新型水泥基材料顯得尤為重要。納米TiO2半導體光催化材料因具有高效、環保、廉價、易制備等優點而被廣泛的應用到水泥基材料領域。TiO2在保留了水泥基材料傳統功能的基礎上，還具備了降解污染物、去除有害氣體等功能，實現了水泥基材料的多功能化應用，因此獲得廣泛的研究。實驗還證實，水泥基材料本身的堿性對光催化性能沒有影響，這就為光催化劑在水泥材料中的應用提供了依據。光催化劑-水泥基材料除了具有降解有機污染物的能力之外，還具備去除氮氧化物的能力。徐名鳳等人認為，光催化水泥基材料是一種多功能化的復合建筑材料，這種材料充分利用了光催化劑在紫外光激發條件下產生的羥基自由基等活性物質與氮氧化物反應，實現了凈化空氣的功能。在實際工程應用中，砂漿混凝土等水泥基材料的化學穩定性、多孔結構、堿性環境等特點為負載TiO2納米光催化劑以實現氮氧化物去除提供了有利的條件。AzamYousefi等人探究了納米TiO2粉末的分散性對水泥基材料光催化性能的影響。結果表明，納米TiO2在與水泥漿的常規混合中會發生高度團聚現象，導致光催化活性大大降低。而通過將顆粒適當地分散在飽和石灰水中，然后在與水泥混合之前進行超聲處理，可有效避免納米TiO2顆粒在與水泥混合過程中的團聚發生。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。在光催化水泥基材料的研究過程中，水泥基材料氣體擴散性差和透光性能差這兩個缺陷一直是科研人員想要克服的重點問題。Wang等人采用負壓共攪拌法合成了一種新型的TiO2光催化劑/多孔結構鎂質水泥基復合材料，以提高TiO2在水泥材料中的光催化作用和利用率。結果表明，多孔結構不僅有利于TiO2納米顆粒的分散，還為TiO2提供了更多的活性位點和較大的催化面積。而且，多孔結構的基體材料具有良好的氣體擴散和透光性能，這也極大地提高了TiO2納米催化劑的光催化效果和利用率。重復使用結果證實TiO2光催化劑/多孔結構鎂質水泥基復合材料具有出色的重復使用性能。TiO2-水泥基復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水泥基材料煥發出新的光彩。但是，在TiO2負載方式及負載容量、光催化反應動力學、TiO2-水泥基復合材料水化動力學、物質相互作用等方面仍然需要進一步的探究。

4 存在的問題

納米TiO2光催化材料在水泥基材料方面的應用，使建筑材料在發揮傳統功能的基礎上，具有了新型功能。在推動傳統建筑材料的功能化轉型的同時，又保護了環境、提升了人們的生活質量。但是，納米TiO2光催化劑在實際應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下發揮作用，這就使得光能的利用率大大下降。而且，TiO2的光生電子-空穴對的復合速率比較快，也會導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，同時延長光生載流子的壽命是一項重要的任務。其二，穩定性和耐久性問題。建筑材料的用途和使用環境要求納米TiO2催化劑必須具備優良的穩定性和耐久性。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，都不可避免的會使得催化劑與建筑材料相接觸，可能導致二者之間發生相互作用，不利的結果就是使得催化劑或建筑材料的性能降低，產生適得其反的后果。其四，產物的去除問題。由于光催化過程是發生在催化劑的表面，為了保證持續高效的光催化效果，就必須快速的將光催化產物從催化劑表面去除。這對于光催化劑的實際應用至關重要。其五，標準化和產業化問題。怎樣去定義建筑材料中光催化劑性能的好壞，一直是一個存在爭議的話題，目前行業內還未就此問題達成一致的看法。當下，光催化這一技術尚未實現規模化、產業化應用。可以預見，隨著該項技術的大規模應用，特別是建材領域的普及應用，標準化問題也會隨之解決。

參考文獻：

[1]蘇文韜，胡偉，牛耀嵐.能源利用、環境保護與社會可持續發展探討[J].能源與環保，2019（7）：266-270.

[2]梁辰，吳艷青，王大偉，等.納米TiO2光催化水泥基材料的研究進展[J].材料導報，2019，33（S2）：257-272.

[3]王程，施惠生，李艷.納米TiO2光催化功能建筑材料研究進展[J].化工新型材料，2011，39（4）：10-12.