一种自发光的高效光催化混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及光催化混凝土技术领域，尤其涉及一种自发光的高效光催化混凝土及其制备方法。

背景技术

近年来，我国的城市空气污染情况十分严重,但由于有害气体排放源头众多、排放气体构成成分复杂、气体排放量巨大，导致治理难度较大，此外，城市建筑本身也是污染源之一，多种建筑材料普遍存有甲醛超标的问题，严重影响人们的身心健康。虽然混凝土材料在建筑上已有上百年的的使用历史，但随着社会的发展，传统的混凝土已经越来越难以满足人们对资源、环境、施工和性能的需求。得益于大量的实验和研究，新型材料的混凝土得到了迅速的发展，这其中，光催化混凝土具有节能和环保的特点，还具有降解污染物的作用，是环保领域的重要研究方向，在治理大气污染物和室内甲醛方面具有广阔的前景。

目前，现有技术的光催化混凝土必须在有光条件下才能发挥光催化效果，在夜晚无光条件下就不能再进行光催化反应，而夜晚因为大量重型车通行，大气中的氮氧化物浓度升高，是最需要催化剂发挥功效的时段。

发明内容

本发明的目的在于提出一种自发光的高效光催化混凝土，通过将光致自发光材料与光催化剂联合使用，使得在夜晚无光条件下，光催化混凝土也能起到催化降解作用，以克服现有技术的不足。

本发明的另一个目的在于提出一种自发光的高效光催化混凝土的制备方法，步骤简单，操作性强，以克服现有技术中的不足之处。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种自发光的高效光催化混凝土，按照质量份数，包括以下原料：水泥19～21份、水25～28份、粗骨料190～200份、减水剂2～3份、铬掺杂纳米二氧化钛2～3份、CaAl

优选的，按照质量百分比，所述铬掺杂纳米二氧化钛的铬掺杂量为1～2％。

优选的，所述铬掺杂纳米二氧化钛的细度为5～10nm。

优选的，所述CaAl

优选的，所述水泥为42.5级硅酸盐水泥，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

优选的，按照质量份数，包括以下原料：水泥19～21份、水25～28份、砂95～100份、石95～100份、减水剂2～3份、铬掺杂纳米二氧化钛2～3份、CaAl

优选的，所述石的细度为5～25mm，且所述石的压碎值＜15。

一种自发光的高效光催化混凝土的制备方法，用于制备上述自发光的高效光催化混凝土，包括以下步骤：

A、制备铬掺杂纳米二氧化钛；

B、按配比将铬掺杂纳米二氧化钛、水泥和CaAl

C、按配比将水和减水剂混合均匀后，加入搅拌机进行二次搅拌；

D、按配比将粗骨料加入搅拌机进行三次搅拌，得到自发光的高效光催化混凝土。

优选的，步骤A具体包括以下步骤：

A1、称取1～2份的分析纯氯化铬放入装有98～102份的分析纯无水乙醇溶液的三口烧瓶中，再将105～110份的四氯化钛溶液缓慢加入三口烧瓶中，得到混合料，整个过程保持磁力搅拌；

A2、将混合料放入高压水热反应釜中；

A3、将反应后的混合料经离心、洗涤、干燥后进行研磨，得到铬掺杂纳米二氧化钛。

优选的，步骤A2中，高压水热反应釜的反应温度为500～550℃，反应时间为2～24h。

本发明的有益效果：

1、本技术方案的光催化混凝土，通过将光致自发光材料与光催化剂铬掺杂纳米二氧化钛联合使用，光致自发光材料在白天有日照的条件下吸收光能，夜晚发光将光能释放出来，使得在夜晚无光条件下，光催化混凝土也能催化大气中的氮氧化物，从而使光催化混凝土能够更好地发挥光催化效果。

2、本技术方案对纳米二氧化钛进行改性，使其改性为铬掺杂纳米二氧化钛。本技术方案采用铬掺杂纳米二氧化钛作为光催化剂，使得光催化剂的吸收光谱可以扩大到600nm，令其在400～500nm的光照下有很强的光催化效率，从而提升光催化剂在可见光下的催化效率。

具体实施方式

目前，现有技术的光催化混凝土必须在有光条件下才能发挥光催化效果，在夜晚无光条件下就不能再进行光催化反应，而夜晚因为大量重型车通行，大气中的氮氧化物浓度升高，是最需要催化剂发挥功效的时段。

为了令光催化混凝土在夜晚也可以起到催化降解作用，本技术方案提出了一种自发光的高效光催化混凝土，按照质量份数，包括以下原料：水泥19～21份、水25～28份、粗骨料190～200份、减水剂2～3份、铬掺杂纳米二氧化钛2～3份、CaAl2O4：Eu2+，Nd3+光致自发光材料4～5份。本技术方案的光催化混凝土，通过将光致自发光材料与光催化剂铬掺杂纳米二氧化钛联合使用，光致自发光材料在白天有日照的条件下吸收光能，夜晚发光将光能释放出来，使得在夜晚无光条件下，光催化混凝土也能催化大气中的氮氧化物，从而使光催化混凝土能够更好地发挥光催化效果。

具体地，光致自发光材料有很多种类，如CaAl

现有技术中一般使用纳米二氧化钛作为光催化剂，二氧化钛具有高催化活性、高化学惰性、无毒、价格便宜等优点，具有非常好的应用前景。但是纳米二氧化钛禁带宽度比较大，只能被387nm以下的紫外线所激活，在可见光下催化效率低。由于紫外光在太阳光谱中只占5％，能源利用率低，而且光生电子和空穴容易发生复合，这样导致光的催化效率降低。

为了提升光催化剂的光催化效率，本技术方案对纳米二氧化钛进行改性，使其改性为铬掺杂纳米二氧化钛。本技术方案采用铬掺杂纳米二氧化钛作为光催化剂，使得光催化剂的吸收光谱可以扩大到600nm，令其在400～500nm的光照下有很强的光催化效率，从而提升光催化剂在可见光下的催化效率。进一步地，为了提升光催化剂的光催化效率，现有技术方案还有使用氮掺杂纳米二氧化钛作为光催化剂，但在紫外光(λ<380nm)照射下,铬掺杂纳米二氧化钛表现出与纯纳米二氧化钛相同的光催化活性,但氮掺杂纳米二氧化钛的光催化效率却大大下降。铬掺杂纳米二氧化钛在可见光和紫外光下的催化效率都很高，虽然氮掺杂纳米二氧化钛提高了可见光下的催化效率，但是其在紫外光下催化效率却很低。白天阳光中有大量紫外线，氮掺杂纳米二氧化钛并不能发挥很好的光催化效率，因此，本技术方案使用铬掺杂纳米二氧化钛，可以使得光催化剂有更高的光催化效率。

更具体地，本技术方案还对高效光催化混凝土的配比进行限定。水泥、水和、减水剂相互配合，可以使得混凝土的和易性和工作性达到最佳。若水泥、水或减水剂的添加量过少，容易导致混凝土的和易性不好，施工中容易振捣不匀形成空洞，耐久性差，催化效果不持久；若水泥、水或减水剂的添加量过多，则会使到混凝土的包裹性不好，容易造成骨料和浆料分离，耐久性差，催化效果也会不持久。

铬掺杂纳米二氧化钛和CaAl

更进一步说明，按照质量百分比，所述铬掺杂纳米二氧化钛的铬掺杂量为1～2％。

在本技术方案的一个实施例中，按照质量百分比，将铬掺杂纳米二氧化钛的铬掺杂量为1～2％，这是由于铬掺杂量对催化效率有影响，在1～2％的范围以内，掺杂量越大则催化效率越高，但当铬掺杂量超过2％时，则增加铬的含量并不会提高光催化剂的催化效率，造成原料浪费。

更进一步说明，所述铬掺杂纳米二氧化钛的细度为5～10nm。

在本技术方案的一个实施例中，将铬掺杂纳米二氧化钛的细度限定为5～10nm。这是由于粒径小的纳米二氧化钛的量子尺寸效应明显，催化效率高。如果纳米二氧化钛的尺寸增大，由会降低其催化效率，且100nm以上的纳米二氧化钛基本没有催化效果。

更进一步说明，所述CaAl

在本技术方案的一个实施例中，将CaAl

更进一步说明，所述水泥为42.5级硅酸盐水泥，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

更进一步说明，按照质量份数，包括以下原料：水泥19～21份、水25～28份、砂95～100份、石95～100份、减水剂2～3份、铬掺杂纳米二氧化钛2～3份、CaAl

本技术方案选用砂和石作为光催化混凝土中的粗骨料，并进一步限定砂和石的配比，本技术方案中砂和石的配比，可得到密度最大、空隙最小的粗骨料，使得硬化的混凝土结构最致密，使得光催化混凝土能抵抗外界环境的侵蚀，耐久性提高，催化效果持久。

更进一步说明，所述石的细度为5～25mm，且所述石的压碎值＜15。

本技术方案提出了一种自发光的高效光催化混凝土的制备方法，用于制备上述自发光的高效光催化混凝土，包括以下步骤：

A、制备铬掺杂纳米二氧化钛；

B、按配比将铬掺杂纳米二氧化钛、水泥和CaAl

C、按配比将水和减水剂混合均匀后，加入搅拌机进行二次搅拌；

D、按配比将粗骨料加入搅拌机进行三次搅拌，得到自发光的高效光催化混凝土。

本技术方案还提出了一种自发光的高效光催化混凝土的制备方法，制备铬掺杂纳米二氧化钛，将光催化混凝土原料进行搅拌制成自发光的高效光催化混凝土，步骤简单，操作性强。

更进一步说明，步骤A具体包括以下步骤：

A1、称取1～2份的分析纯氯化铬放入装有98～102份的分析纯无水乙醇溶液的三口烧瓶中，再将105～110份的四氯化钛溶液缓慢加入三口烧瓶中，得到混合料，整个过程保持磁力搅拌；

A2、将混合料放入高压水热反应釜中；

A3、将反应后的混合料经离心、洗涤、干燥后进行研磨，得到铬掺杂纳米二氧化钛。

现有的改性纳米二氧化钛有氮掺杂纳米二氧化钛，而现有技术中的一些掺杂工艺所得到的催化剂的可见光光催化效率还不是太理想,还有一些掺杂工艺本身在一定程度上会恶化催化剂的某些性能,如二氧化钛在氨气中的后续热处理必然会导致晶粒的长大和比表面积的提高,同时还会提高生产成本。为了确保改性纳米二氧化钛的光催化效率得到提升，本技术方案还公开了一种铬掺杂纳米二氧化钛的制备工艺，在确保改性纳米二氧化钛的光催化效率得到有效提升，同时还有利于降低生产成本。

更进一步说明，步骤A2中，高压水热反应釜的反应温度为500～550℃，反应时间为2～24h。

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1-一种自发光的高效光催化混凝土的制备方法

A1、称取1份的分析纯氯化铬放入装有100份的分析纯无水乙醇溶液的三口烧瓶中，再将105份的四氯化钛溶液缓慢加入三口烧瓶中，得到混合料，整个过程保持磁力搅拌；

A2、室温搅拌10min后，将混合料放入高压水热反应釜中，在500～550℃的条件下反应24h；

A3、将反应后的混合料经离心、洗涤、干燥后进行研磨，得到细度为10nm、铬掺杂量为2％的铬掺杂纳米二氧化钛；

B、将2份铬掺杂纳米二氧化钛、20份42.5级硅酸盐水泥和4份CaAl

C、将25份水和3份聚羧酸减水剂混合均匀后，加入搅拌机进行二次搅拌；

D、将95份砂和100份细度为25mm，压碎值为12的石加入搅拌机进行三次搅拌，得到自发光的高效光催化混凝土。

实施例2-一种自发光的高效光催化混凝土的制备方法

A1、称取2份的分析纯氯化铬放入装有100份的分析纯无水乙醇溶液的三口烧瓶中，再将105份的四氯化钛溶液缓慢加入三口烧瓶中，得到混合料，整个过程保持磁力搅拌；

A2、室温搅拌10min后，将混合料放入高压水热反应釜中，在500～550℃的条件下反应24h；

A3、将反应后的混合料经离心、洗涤、干燥后进行研磨，得到细度为10nm、铬掺杂量为2％的铬掺杂纳米二氧化钛；

B、将2份铬掺杂纳米二氧化钛、20份42.5级硅酸盐水泥和4份CaAl

C、将25份水和3份聚羧酸减水剂混合均匀后，加入搅拌机进行二次搅拌；

D、将95份砂和100份细度为25mm，压碎值为12的石加入搅拌机进行三次搅拌，得到自发光的高效光催化混凝土。

实施例3-一种自发光的高效光催化混凝土的制备方法

A1、称取2份的分析纯氯化铬放入装有100份的分析纯无水乙醇溶液的三口烧瓶中，再将105份的四氯化钛溶液缓慢加入三口烧瓶中，得到混合料，整个过程保持磁力搅拌；

A2、室温搅拌10min后，将混合料放入高压水热反应釜中，在500～550℃的条件下反应24h；

A3、将反应后的混合料经离心、洗涤、干燥后进行研磨，得到细度为10nm、铬掺杂量为2％的铬掺杂纳米二氧化钛；

B、将3份铬掺杂纳米二氧化钛、21份42.5级硅酸盐水泥和5份CaAl

C、将28份水和2份聚羧酸减水剂混合均匀后，加入搅拌机进行二次搅拌；

D、将100份砂和95份细度为20mm，压碎值为10的石加入搅拌机进行三次搅拌，得到自发光的高效光催化混凝土。

对比例1-一种光催化混凝土的制备方法

1、将2份纯纳米二氧化钛和20份42.5级硅酸盐水泥加入搅拌机进行一次搅拌；

2、将25份水和3份聚羧酸减水剂混合均匀后，加入搅拌机进行二次搅拌；

3、将95份砂和100份细度为25mm，压碎值为12的石加入搅拌机进行三次搅拌，得到光催化混凝土。

实验NO

1、将实施例1-3和对比例1得到的光催化混凝土倒入100mm*100mm*100mm的塑钢模具中，插捣25下，18小时后脱模，放入标准养护室养护7天，得到光催化混凝土试块；

2、将试块放入氮氧化物反应器，反应器为密封透明箱，其尺寸为长700mm，宽400mm，高130mm，透明箱开口处用有机玻璃胶密封处理，试块放置在反应器中心的固定器上；

3、将零级空气和标准二氧化氮气体混合成为浓度为3000ppb NO

4、将测试仪器整体移出试验室，置于露天环境下，早上8点开始测试，24h后用化学发光分析仪(美国赛默飞仪器公司提供)测得反应器内NO

表1氮氧化物反应器内NO

从表1的性能测试对比结果可知，使用本技术方案中实施例1-3制备的光催化混凝土之后，24h内氮氧化物反应器内的NO

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。