光催化水泥基功能材料设计、制备及其净化NOx性能研究

With the rapid growth in industrialization and urbanization, automobile exhaust emissions are causing serious harms to human health. This project intends to apply photocatalytic technology to cement concrete surface to remove the NOx from the exhaust. A new type of TiO2 matrix composites of the high adsorption characteristics and photocatalytic activity was designed and prepared that revealed the adsorption mechanism of NOx gas molecules. The catalyst slurry was prepared and the uniformly stable mechanism of slurry preparation, and the mechanism of action between photocatalyst and concrete was elucidated. The photocatalytic reaction kinetics equation of the product of cement-based photocatalytic concrete that purifies NOx gas, was built using the STAR-CCM+ and PIAnO simulation software. The Electrochemical photocurrent was combined with the impedance to clarify reaction mechanism of purifying NOx gas. This project focuses on the fundamental research of photocatalytic technology application in purification of automotive exhaust. The prepared product of cement-based photocatalytic concrete can play an important role and have significant practical value in purifying urban road vehicle emissions of NOx.

城市汽车尾气的大量排放对人类健康造成了严重危害，本项目拟将光催化技术应用于水泥基混凝土表面，以去除汽车尾气中的NOx。本项目将设计并制备出具有高吸附特性和高光催化活性的新型TiO2基复合材料，并揭示TiO2基复合材料对NOx气体分子的吸附机理。配制水性光催化剂料浆，提出光催化剂在水中均匀稳定存在的分散机制，并阐明光催化剂与混凝土之间的作用机制。利用STAR-CCM+和PIAnO计算模拟软件，构建水泥基光催化混凝土成品净化NOx气体的光催化反应动力学方程，并结合电化学光电流和阻抗等测试，揭示光催化净化NOx的反应机理。本项目着眼于光催化技术在净化汽车尾气方面的应用基础研究，制备的水泥基光催化混凝土成品将在净化城市道路中汽车尾气排放的NOx方面发挥重要作用，具有明显的实用价值。

城市汽车尾气的大量排放对人类健康造成了严重危害，本项目将光催化技术应用于水泥基混凝土表面，以去除汽车尾气中的NOx。本项目的主要研究内容和研究结果包括：（1）成功制备了一系列TiO2纳米管光催化混凝土砌块和黑色TiO2光催化混凝土砌块生态砖。通过研究，发现TiO2纳米管能与水泥水化过程形成的C-S-H凝胶相互作用导致增强的结合力，从而增强了抗压强度和耐磨性，并且由于TiO2纳米管为高比表面积的介孔材料，对弥散在城市大气环境中的NO气体具有增强的吸附作用，进而导致其对NO气体的去除效率提高了约15%。（2）提出了增强光催化剂与混凝土之间结合力的方法，从而解决了光催化混凝土砌块在实际使用过程中光催化剂易脱落的问题。发现当以硅烷偶联剂或水玻璃中的为粘结剂时，与混凝土的粘合性佳，在打磨前后，光催化去除NO气体的转化率变化较小，即能够长效保持光催化活性，耐久性优异。（3）揭示了光催化混凝土净化汽车尾气中NOx的反应机理。研究发现，当汽车尾气中低浓度的NOx气体弥散在城市大气中时，光催化混凝土的内部及外部的孔道以及光催化剂都会吸附NOx气体，在太阳光照射下，光催化剂被激发产生光生电子和空穴，光生电子与空气中的O2结合形成超氧阴离子自由基（•O2−），具有强氧化能力的•O2− 使得NO被氧化形成NO2，然后遇到空气中的水分，形成HNO2，随后进一步氧化形成HNO3，随雨水被冲刷掉。（4）以某300 m的城市公路作为研究对象，采用计算流体力学中的Fluent软件构建城市公路气体扩散模型。模拟了城市公路正常行车状态（60 km/h）以及阻塞（10 km/h）状态下以及不同风速条件下，公路内汽车尾气中NO浓度分布情况，为具有光催化功能的混凝土的应用提供了基础依据。相关研究成果发表期刊论文17篇（其中SCI论文14篇），申请发明专利7件（其中获得中国授权发明专利3件，美国授权发明专利1件），获得2019年度盐城市人民政府专利奖金奖1次，参加学术会议9次，培养研究生14名。