路表光催化降解汽车尾气机理研究及多孔陶瓷骨架负载光催化路面材料开发

The automobile exhaust is the main source of atmospheric pollution. Especially, the most severe pollution area is the near-ground air. To alleviate this problem, a kind of a porous ceramics loaded photocatalyst for pavement is prepared, which can effectively degraded the automobile exhaust. The pollutant compositions of automobile exhaust are analyzed firstly and the degradation mechanism is studied. The technology of rare-earth ion addition is used to obtain high-efficiency catalyst. The molecular dynamics simulation method is used to analyze the location of impurity energy level resulted from TiO2 with rare earth ions, and to analyze the effect of doping modification on crystal form, crystalline size of TiO2 and spectrum absorption. The porous ceramics skeleton loaded photocatalytic materials are applied on pavement to realize the exhaust degradation and this skeleton structure should has good anti-wear property. In addition, molecular dynamics simulation method is also used to simulate the change law of the absorbing effect, photocatalytic and mechanical property of photocatalytic materials with the variation of microstructure. The porous ceramics skeleton loaded photocatalytic materials will be applied on pavement and its performance of degradation, anti-wearing and dust resistance are studied. This technology will has great effect on reducing automobile exhaust pollution and improve road environment.

汽车尾气是大气环境的主要污染源之一，其中接近路表区域空气污染尤其严重，项目拟开发一种多孔陶瓷骨架负载光催化材料，将其应用于路面有效降解大气环境中的汽车尾气污染物。首先对汽车尾气中污染物组分进行分析，研究污染物的光催化降解机理。采用稀土离子改性技术制备高效光催化剂，利用分子模拟技术研究稀土离子掺杂改性在二氧化钛晶体中形成的杂质能级位置以及掺杂改性对二氧化钛晶型、晶粒尺寸和光谱吸收的影响。采取多孔陶瓷骨架负载的方式将光催化材料应用于道路表面，以提高光催化材料的耐磨耗性和对汽车尾气污染物的吸附性能。利用分子模拟技术研究多孔陶瓷骨架光催化材料对污染物的吸附作用、催化降解性能以及材料的力学性能随微观结构的变化关系。最后应用所开发的多孔陶瓷骨架负载光催化材料铺设试验路，对材料的降解、耐磨耗、耐灰尘污染等路用性能进行试验研究。该技术的研究将对减少汽车尾气污染及改善道路环境产生重要意义。

近几十年来，汽车尾气污染问题越来越严重，特别是尾气中最难处理的氮氧化物对人体及环境的危害极大。以纳米二氧化钛（TiO2）为典型代表的光催化剂被广泛用于环境治理领域，但是TiO2较大的禁带宽度及低量子利用率等问题影响了其使用效果。项目通过掺杂稀土元素的方式对纳米TiO2进行改性，采用分子模拟技术从原子尺度计算材料的电子结构，阐释掺杂改性机理，预测材料的光催化活性。选取具有较高比表面积的多孔沸石作为载体制备光催化多孔粒料，探索光催化材料在沥青路面上的应用方式。. 首先基于第一性原理计算分析了三种稀土元素（La、Ce、Sm）掺杂TiO2的几何结构、能带结构及电荷分布。结果表明，稀土掺杂使TiO2晶胞膨胀，电荷分布改变，形成有利于光生载流子分离的内电场，且掺杂半导体最高占有轨道的下移使光生空穴氧化能力增强。此外，采用溶胶凝胶法制备La-TiO2、Ce-TiO2、Sm -TiO2光催化剂，以NO气体和亚甲基蓝为目标污染物，研究制备工艺对改性催化剂的微观结构及光催化活性的影响。通过正交设计优化得到高催化活性的稀土掺杂光催化材料。. 其次选取具有纳米孔径结构的多孔沸石为载体，制备光催化多孔粒料。研究表明，以1-2mm沸石为载体负载Ce-TiO2光催化剂，经过60min超声振荡吸附钛溶胶后，负载两层光催化剂所得的光催化多孔粒料（Ce-TiO2-沸石）具有较好的光催化性能。分别以Ce-TiO2粉末、Ce-TiO2分散液、Ce-TiO2树脂涂层、Ce-TiO2-沸石颗粒的形式制备光催化沥青基试件，以NO降解率来评价光催化活性，探索光催化材料在沥青路面上的应用方式。同时讨论光降解反应条件对光催化性能的影响，结果显示，光催化试件在可见光照射下降解性能有所提高，且当NO浓度为0.5ppm时，降解率取得最高值。. 最后分析光降解反应次数和路表环境对光降解性能的影响，发现降解产物在光催化剂表面的堆积会降低光催化反应活性，但用水冲洗后活性基本恢复到初始水平；将Ce-TiO2分散液和Ce-TiO2-沸石颗粒应用于室外道路一段时间后发现光催化材料耐路表环境的侵蚀性较差，15天后其光降解NO能力出现一定程度的衰减。