基于层状硅铝酸盐层间域组装TiO2的光催化水泥基材料研究

Air pollution induces the cancer and threatens human survival. Photocatalytic cement-based materials (PCBM) have enormous potential in purification of the increasingly serious pollution air. The dispersion of nano-TiO2 particles and the formation of the surface structure for highly efficient optical transmission and pollutant adsorption are the key factor for the improvement in photocatalytic efficiency. In this study, interlayer space of silicon-aluminum layer (SAL) would be employed to establish the nano-reactor to assemble and disperse the nano-TiO2, which would combine the solid dispersion of TiO2 and the nano-porous structure of photocatalytic ‘microenvironment’ together. ‘Assembling-dispersion’ model and ‘adsorption-dispersion’ model would be established to discuss interaction between organic-inorganic dispersants and TiO2/SAL particles, overcoming the problem of dispersing TiO2 in fresh cement paste. Based on the optimization design on the porous structure of TiO2/SAL and PCBM, highly efficient photocatalytic microenvironment with multi-scale pore structure and large specific surface would be set up to enhance the efficiency of light transmission, adsorbing speed of pollutants and photocatalytic efficiency. Furthermore, influencing factors on photocatalytic performance would be studied, and the deactivation mechanism would also be analyzed to proposal the regeneration process. Finally, the design method of PCBM would be obtained as a theoretical foundation for the design and application of this kind of cement-based material.

空气污染诱发癌症，威胁人类生存。光催化水泥基材料在解决日益严重的城市空气污染问题方面潜力巨大。分散纳米TiO2并构建易于光传输及污染物扩散的表层结构，是提高光催化效能的关键。本项目利用层状硅铝酸盐(SAL)层间域，构建纳米反应器组装TiO2(TiO2/SAL)，实现TiO2的固相分散与光催化“微环境”纳米孔结构设计的集成；建立固相“组装-分散”及液相“吸附-分散”模型，突破纳米TiO2固相团聚、液相聚集的瓶颈；基于TiO2/SAL“本体”及水泥基材料“主体”孔结构的优化，构建高效能光催化“微环境”，解决光传输难、污染物吸附慢、TiO2易失活的问题；将TiO2/SAL水泥基材料构筑于基体表层，研究光催化效能的影响因素，分析失活机理，建立再生机制。项目旨在建立基于表面重构的层状硅铝酸盐组装纳米TiO2光催化水泥基材料的设计方法，奠定纳米TiO2光催化水泥基材料与结构设计的理论基础。

城市空气污染诱发癌症，威胁人类生存。光催化水泥基材料在解决日益严重的空气污染问题方面具有巨大潜力。如何分散纳米TiO2并构建易于光传输及污染物扩散结构，是提高水泥基材料光催化效能的关键。针对这一问题，项目提出了利用有机插层蒙脱石(OMt)的层间域组装分散TiO2(OMt/TiO2)，并优化设计OMt/TiO2 “本体”及水泥基材料“主体”孔结构，构建高效能光催化“微环境”的研究思路。项目研究工作围绕蒙脱石层间域组装纳米TiO2(OMt/TiO2)的结构形成机理、OMt/TiO2分散机理、高效能光催化“微环境”的构造机制三个科学问题展开，重点研究了OMt纳米反应器构建及纳米TiO2的组装机理等四个方面，主要创新性结论如下：.（1）探明了层间域纳米反应器组装纳米TiO2的过程与结构形成机理，明晰了TiO2前驱体扩散的动力学及OMt/TiO2微结构形成的热力学参数，建立了OMt/TiO2粒子结构模型，获得了利用层间域纳米反应器组装、分散纳米TiO2及控制晶粒粒径的设计方法；.（2）探明了OMt/TiO2粒子在饱和Ca(OH)2溶液中的团聚机理，分析了PCE与Mt的相互作用机理，揭示了PCE对OMt/TiO2复合材料分散性的影响规律；在此基础上，建立了TiO2固相“组装-分散”模型及OMt/TiO2粒子的液相“吸附-分散”模型，获得了TiO2在OMt/TiO2光催化水泥基材料中的高效分散方法；.（3）探明了OMt/TiO2对水泥基材料力学性能及水化微结构形成的影响规律，设计并制备了OMt/TiO2-PCM光催化水泥基材料，分析了其对亚甲基蓝、NO等物质的光催化降解性能的影响规律，揭示了OMt/TiO2-PCM微结构和光催化性能的相关性规律，为OMt/TiO2-PCM材料设计奠定基础；.（4）提出了基于OMt/TiO2颗粒“本体”纳米孔结构及水泥基材料“主体”孔结构优化的高效能光催化“微环境”设计方法，设计并制备了基于物理发泡的多孔PCM，并通过引入空心玻璃微珠以及改变水泥基材料的颜色等技术手段，优化其光催化性能，为OMt/TiO2光催化水泥基材料设计与制备奠定理论基础；.项目研究申请了国家发明专利4项，发表了学术论文20篇，参加了国内外学术会议17人次，培养博、硕士研究生4名；获省部级奖励2项。相关成果为光催化水泥基设计与制备提供新思路，为光催化水泥基材料的应用提供支撑。