光催化混凝土的应用基础研究

"白色污染"已成为一个全球性的环境问题。将光催化剂掺入塑料中，可制备出环境友好的光降解塑料，它在一定的使用期内具有期望的功效，而在超过使用期后，或在远未达到使用寿命期而被废弃后，在光照条件下能迅速自动分解。这种聚合物材料的自动光降解，通常需要特定的光催化剂，在催化剂的作用下，经光化学反应而降解。目前，这种方法已经成为解决"白色污染"问题的一个有效途径。TiO2是一种较早研究的固相光催化剂，它具有高活性、高稳定性、低成本和无毒等优点，已广泛应用于塑料的处理。

在TiO2的能级结构中，价电子所占据的能级称为价带，未填充电子的能级称为导带。导带和价带之间存在一个能量间隙，称为禁带，宽度为3.2 eV。当半导体材料TiO2吸收了等于或大于3.2 eV的光能时，价带上的电子可以跃迁到导带上，在导带上生成一个光生电子e，价带上则留下一个空穴h

在潮湿空气中，光生电子和光生空穴在聚合物膜表面上分别与氧气和水反应。光生电子具有很强的还原性，它可以将聚合物膜表面的氧气还原，成超氧自由基 (自由基是具有单电子的物质)·O2。而·O2经一系列反应产生·OH自由基。

而空穴具有强氧化性，它可以将OH(包括H2O中的 OH)氧化，也产生自由基·OH。·OH自由基的氧化能力很强，是塑料光催化氧化降解过程的主要氧化剂。

以聚乙烯(PE)的光降解为例说明原理。第一步，光催化剂TiO2产生的活性物质·OH进攻PE分子的C―H键，使该键断裂。键上的氢带走一个电子与·OH结合生成水，同时给键上的碳原子留下一个电子，使PE分子其余部分成为以碳原子为中心的自由基。第二步，这些碳自由基与O2反应，O2分子的π键断裂，它一端与自由基碳结合，另一端带上一个电子，形成新的自由基，称为过氧自由基。第三步，这些过氧自由基进攻PE分子的C―H键并与氢结合(与·OH 进攻的情况十分相似)，又生成以碳原子为中心的自由基。第四步，过氧自由基与氢的结合产物很不稳定，在光照下O―O键断裂，两个O各带上一个电子，一个留在PE分子链上形成以氧为中心(·O)的自由基，另一个形成·OH自由基。第五步，含有·O的 PE分子链不稳定，·O所在C原子的一条C―C键断裂，两个C各带上一个电子。·O与所在C原子的单电子配对，形成π键，结果形成羰基，即生成一个醛分子。另一个单电子C原子留在PE分子链另一部分的端部，形成一个碳链自由基。以上是PE分子链的一个断裂过程，事实上这些断裂出来的物质可以继续按照这样的方式发生断裂，分子量继续降低，PE继续降解。理论上，PE最终可被氧化为CO2和 H2O。通过这样的过程，TiO2可有效光催化PE降解。例如，将掺有1%TiO2的PE膜置于太阳光下照射，300 h后失重达到42%，而纯PE膜仅失重0.39%。

光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。

光催化涂料在光照射下能净化空气，其净化的作用具有无可比拟的优点。

①把光能转化为化学能加以利用，无须另加能量。

②净化空气在常温下进行。

③能在较短时间内降解有毒有害物质，当然，其前提条件是有毒有害物质与涂层接触。

④锐钛型Tio2光催化剂稳定性好，无毒，不会产生二次污染。

⑤锐钛型Tio2光催化剂可起持久长效作用。