光催化混凝土的应用基础研究

Photocatalytic materials could not only improve comprehensive performance and use effect of concrete, but also enlarge application fields when used in concrete due to its function like pollutants purification, antibacterial function, etc. The project presents a novel method for design and production of photocatalytic concrete based on photocatalytic functional substrate to solve the problem of low efficiency and instability of photocatalyst materials in the surface of concrete. The optimization design methods on structure and composition of photocatalytic functional substrate are proposed. Meanwhile, based on the research on composite mechanism of photocatalyst and concrete, the ideal structure model of photocatalytic functional substrate can be put forward, and the manufacturing technology of high-efficient photocatalytic funtional substrates with different scales and morphology can be achieved. Through the research on the catalytic mechanism of photocatalytic concrete to different functional substances, the distribution model of photocatalytic functional substrate on the surface of concrete can be built.The influence of photocatalytic funtional substrates on catalytic effect and macro-performance of concrete are analysed and explored, and thus, the surface structural design and built methods of photocatalytic concrete can be successfully put forward. Based on which, two kinds of typical application characteristics including air purification and antibacterial anticorrosive of concrete are simulated. The photocatalytic efficiency and integrated performance of those concretes will be evaluated. The deactivation mechanism of long-term photocatalytic activity, the repair mechanisms and methods are finally explored, These theoretical basis and technology methods are beneficial to guide the practical application of photocatalytic concrete and promote the science and technology progress of concrete materials and related fields.

光催化材料具有污染物净化、抗菌抑菌等功能，应用于混凝土可提升混凝土的综合性能与使用功效，拓宽混凝土的应用领域。项目针对光催化材料在混凝土中应用存在的催化效率低、功能衰减快问题，创新提出一种基于光催化功能载体的光催化混凝土材料设计与制备思路，通过研究光催化剂与混凝土的复合机理，提出光催化功能载体组成与结构优化设计方法，研究掌握不同尺度、形貌的高效光催化功能载体制备技术；通过研究光催化混凝土对不同目标物的催化机理，建立混凝土光催化功能层结构模型，探明光催化功能层对混凝土催化效果与宏观性能的影响规律，提出混凝土光催化功能层结构设计与构筑实现方法；在此基础上，模拟空气净化、混凝土抗菌两种典型的应用环境特点，评价研制的光催化混凝土催化效果与综合性能，探讨光催化活性失活机理，建立光催化混凝土长效化作用机制，为推动光催化混凝土的实际应用提供理论指导与技术支撑，促进混凝土材料与相关领域科学技术进步。

本项目致力于以下四个主题的研究：光催化功能层结构与催化效率、宏观性能的关系；混凝土光催化功能层构筑方法；服役过程光催化混凝土活性及效率；光催化水泥基材料的应用。.项目经过四年研究，实现了项目计划任务书设定的研究目标，达到了预期目的。发表学术论文 15 篇，参加国际学术交流会 3 次，申请获得专利 3 项，构建“结构与功能一体化混凝土材料”国际合作研究与人才培养平台（共同建立实验室“WUT- Aberdeen多功能水泥基材料合作实验室”）。基于光催化水泥基材料的研究成果，研发出能实际应用的空气净化器，实现了生产和销售。.具体研究内容为：.基体的高吸附性能可在一定程度增强水泥基光催化材料光催化效率。研究了一种快速简洁的方法在含有非晶硅和非晶铝的原料表面合成蜂窝状C-A-S-H负载层。这种蜂窝状结构可以很大的提升集料作为催化剂与吸附剂载体的性能。这种材料可以作为一种优秀的催化剂与吸附剂载体应用于空气污染与水污染处理领域的实际生产中。.光催化石英砂对氮氧化合物作用可以分为三个阶段：1）氮氧化合物无光照下的浓度稳定，2）氮氧化合物光催化反应，3）关掉灯氮氧化合物浓度恢复过程。光照开始之后NO浓度迅速下降， NO2浓度同时显著增加。当灯关掉时，二氧化氮浓度降至零。光子效率随着二氧化钛的质量分数的增加而增加，但稳定在0.76%左右。光催化石英砂复合材料的稳定性对其性能有着重要的影响。我们还研究了光催化石英砂经水洗后的耐久性数据。在温和的搅拌下，30%的二氧化钛在10个循环后被去除，然而，只有大约6%的二氧化钛在之后的10和30个循环之间损失。相比之下，10分钟的超声，约56%的二氧化钛保留下来。因此，在这两种情况下，二氧化钛都表现出强烈的粘附性。.镁相水泥中碱式晶须，作为氯氧镁水泥的主要成分，具有简单稳定的晶型结构，且原材料来源广泛、制备简单，可作为无机粘合料与绝大多数物质实现从微观尺度至宏观尺度的紧密粘合，拓宽了其应用面，是负载纳米TiO2的理想基体材料。本研究提出的采用化学液相反应法制备的碱式晶须，通过表面修饰增大了比表面积和基体稳定性，对镁相水泥基光催化材料的整体性能和耐久性也有较大提升。.蜂窝板组装光催化片颗粒成型的净化片，封装采用纤维网格。采用这种结构可以在保证透气性的同时提高催化剂与目标气体的接触时间，同时净化片封装完成后在反应器中组装方便。