學(xué)校名稱

長(zhǎng)沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

杜慧子

201511010109

土木

（道路）卓越

女

2015年9月

解偉

201521030130

土木

（道路）卓越

男

2015年9月

朱小波

201511010121

土木

（道路）卓越

男

2015年9月

陸思航

201508020805

土木

（道路）卓越

男

2015年9月

趙宇

201508020508

土木

（道路）卓越

男

2015年9月

指導(dǎo)教師

金嬌

職稱

講師

項(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

交通運(yùn)輸工程

項(xiàng)目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

陸思航2015-2016年參與《冷補(bǔ)瀝青》科技立項(xiàng)。

杜慧子2016-2017年參與《光伏太陽能空心板路面模型制備及試驗(yàn)研究》科技立項(xiàng)。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

金嬌，女，主持國(guó)家自然科學(xué)基金1項(xiàng)，湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目1項(xiàng)、主持完成教育部自由探索項(xiàng)目2項(xiàng)；參與國(guó)家杰出青年科學(xué)基金1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，并參與多項(xiàng)橫向課題，已在國(guó)內(nèi)外期刊上公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文20篇，其中SCI收錄13篇，累計(jì)影響因子達(dá)30以上，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利6項(xiàng)。

正在承擔(dān)的科研課題情況：

[1] 國(guó)家自然科學(xué)基金—青年科學(xué)基金項(xiàng)目，膨潤(rùn)土結(jié)構(gòu)/功能調(diào)控制備環(huán)保型瀝青改性劑及其機(jī)理研究，51704040，2018-2020.

[2] 湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目—優(yōu)秀青年項(xiàng)目，礦物基相變復(fù)合材料構(gòu)筑瀝青路面調(diào)溫層的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，16B007，2016-2019.

[3] 特殊環(huán)境道路工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金重點(diǎn)項(xiàng)目，基于復(fù)合定形相變材料的調(diào)溫瀝青路面功能層試驗(yàn)研究，kfj160501，2017-2018.

[4] 固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題，鐵選礦尾礦建材化應(yīng)用的基礎(chǔ)研究，16kfgk02，2017-2019.

[5] 中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目，湖南省新一代高速公路養(yǎng)護(hù)智能化及性能提升技術(shù)的開發(fā)與示范，2016GK2096，2016-2018.

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

1.1 項(xiàng)目研究的背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，汽車行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，隨之而來的是一系列的環(huán)境問題，據(jù)媒體報(bào)導(dǎo)，汽車尾氣已經(jīng)成為僅次于重工業(yè)影響環(huán)境的第二大因素，治理汽車尾氣形勢(shì)已經(jīng)十分急迫，十九大中已經(jīng)將環(huán)境治理作為一項(xiàng)發(fā)展戰(zhàn)略。

汽車尾氣不僅排放量大而且含有大量的有毒氣體，像固體懸浮物，被人吸入肺部后會(huì)導(dǎo)致呼吸道疾病的發(fā)生，還會(huì)阻塞汗腺和毛囊，引起皮膚炎，尤其到固體懸浮顆粒達(dá)到一定量后，便會(huì)導(dǎo)致惡性腫瘤的發(fā)生；一氧化碳（CO）會(huì)與血紅蛋白結(jié)合，阻礙氧氣的吸收和運(yùn)輸，吸入超過一定量會(huì)導(dǎo)致人們嚴(yán)重缺氧，甚至死亡；氮氧化合物（NO_X）會(huì)損害呼吸系統(tǒng)，而且在一定的條件下會(huì)生成光化學(xué)煙霧；碳?xì)浠衔铮?span style="font-family: Times New Roman;">HC）在太陽光紫外線的作用下會(huì)生成含有硝酸脂類、醛類、臭氧等刺激性氣體，會(huì)導(dǎo)致喉炎和眼睛紅腫。對(duì)環(huán)境而言，會(huì)導(dǎo)致酸雨、空氣能見度降低、全球變暖等危害，對(duì)環(huán)境與人類健康造成了嚴(yán)重的威脅。作為汽車的載體——道路，近幾十年的發(fā)展也是十分迅速的，截止到2015年我國(guó)的公路通車?yán)锍虨?/span>457萬多公里，2018年高速公路通車?yán)锍桃殉^13萬公里。因此從道路路面入手，研究路面對(duì)汽車尾氣的吸收處理尤為重要?，F(xiàn)在意大利、日本等國(guó)家已嘗試將具有催化降解有害氣體作用的二氧化鈦材料應(yīng)用于道路工程建設(shè)中。和國(guó)外相比，我國(guó)的研究起步較晚、起點(diǎn)較低。

圖 1. 汽車尾氣中主要污染物的含量

TiO₂極易受光照影響，必須在紫外光下才能激發(fā)其催化作用，對(duì)光的利用效率很低^[1]。江鴻等^[2]研究表明，陰陽離子共摻雜TiO₂會(huì)產(chǎn)生二元協(xié)同效應(yīng)，顯著提高TiO₂在可見光區(qū)的光催化能力，其中以Fe-N摻雜效果較好。此外，二氧化鈰(CeO₂)是稀土材料中一種高效經(jīng)濟(jì)的光催化成分，在眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，但是研究表明潔凈CeO₂對(duì)NO的吸附能力較低，且均是物理吸附^[3]，所以限制了其對(duì)汽車尾氣的處理效率。在此基礎(chǔ)上，我們提出一種假設(shè)：將氮、鐵、二氧化鈰、二氧化鈦通過一定比例摻配復(fù)合，制取新型納米復(fù)合材料。

圖 2. 銳鈦礦相、金紅石相、板鈦礦相二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)

圖 3. 二氧化鈰晶體結(jié)構(gòu)圖

在前人的研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，單純利用溶膠—凝膠法制備摻雜TiO₂時(shí)的條件不利于控制，容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)而影響制品的晶型和顆粒的大小^{[4] [5]}。本項(xiàng)目擬采用溶膠—凝膠和炭黑吸附相結(jié)合的方式^[6]，合成具有不同摻雜量的摻雜納米(TiO₂,CeO₂)光催化材料，再利用水熱合成法將鐵、氮與納米(TiO₂,CeO₂)混合反應(yīng)最后制得Fe,N-(TiO₂,CeO₂)。然后通過涂覆的方式將其應(yīng)用于路面。在光照和催化劑的作用下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：CO+O₂→CO₂，NO_X→N₂+O₂，HC+O₂→H₂O+CO₂，通過汽車尾氣降解率式（1）來分析各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果。

 ┈┈式(1)

式中，η_i為納米TiO₂對(duì)汽車尾氣中第i種氣體的降解效率；c_i0為測(cè)試開始時(shí)汽車尾氣中第i種氣體的初始濃度；c_i為測(cè)試結(jié)束時(shí)汽車尾氣中第i種氣體，從而降低空氣中的汽車尾氣污染物。

圖 4. 光催化機(jī)理^[7]

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

1、將硝酸鐵作為Fe源，尿素作為N源，與TiO₂和CeO₂粉體通過水熱合成法合成Fe,N-(TiO₂,CeO₂)納米粉體，找出最優(yōu)的設(shè)計(jì)工藝與合成實(shí)驗(yàn)方案。

2、對(duì)Fe,N-(TiO₂,CeO₂)納米粉體進(jìn)行可見光和紫外線照射，通過能譜分析儀研究其對(duì)光的利用情況。

3、通過多組實(shí)驗(yàn)將硝酸鐵、尿素、(TiO₂,CeO₂)粉體進(jìn)行不同比例的復(fù)配研究，討論在不同組合下對(duì)尾氣降解率的影響，找到對(duì)尾氣處理最佳的復(fù)配組合。

4、將納米粉體與環(huán)氧樹脂混合攪拌涂覆在瀝青路面和水泥路面上。通過研究在不同溫度濕度和不同的尾氣濃度的條件下其對(duì)尾氣處理效果，對(duì)比分析該實(shí)驗(yàn)與兩種路面的適應(yīng)效果。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 制備納米（TiO₂,CeO₂）粉體

（1）合成CeO₂納米棒

3g CeCl₃·7H₂O加入10m L去離子水中溶解，制成A液，4.8g NaOH加入30mL去離子水中溶解，制成B液，把A液和B液混合，攪15min之后，將混合溶液加入到反應(yīng)釜中，在130℃下反應(yīng)18h，產(chǎn)物用去離子水洗滌，然后在室溫下反應(yīng)干燥20h，繼續(xù)在300℃下焙燒4h，制備得到CeO₂納米棒。

（2）合成（TiO₂,CeO₂）光催化劑

將步驟(1)制備的200mg二氧化鈰納米棒放入1000～200mL去離子水中攪拌，重復(fù)四次，得到四份CeO₂溶液，然后分別加入0.19mL、0.38mL、0.57mL、0.76mL TiCl₃溶液，將混合液攪拌40min，放入反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)12h，反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物用去離子水和乙醇反復(fù)清洗后，放入真空干燥箱中以60℃干燥得到TiO₂包覆CeO₂納米棒光催化劑。

（3）制備Fe,N-(TiO₂,CeO₂)納米粉體

將硝酸鐵作為Fe源，尿素作為N源，與步驟（2）制得的TiO₂包覆CeO₂納米棒通過水熱合成法合成Fe,N-(TiO₂,CeO₂)納米粉體^{[8, 9]}。

檢測(cè)Fe,N-(TiO₂,CeO₂)對(duì)光的利用情況。

1.3.2 納米粒子的表征實(shí)驗(yàn)

（1）X射線衍射

采用組合型多功能水平X射線衍射儀對(duì)粉體進(jìn)行X射線衍射分析，其中設(shè)定的參數(shù)為λ=0.15418nm，工作電壓40kV，電流40mA，掃描范圍2從5°～80°，掃描角度2°/min，步長(zhǎng)0.02。得到XRD衍射圖譜，分析其晶型，計(jì)算粒徑。

（2）透射電子顯微鏡

透射電子顯微鏡主要用于生物樣品、高分子材料的高反差形貌觀察和微區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)。通過透射電鏡觀測(cè)樣品形貌，晶體粒徑大小，分析納米粉體在高分辨透射電鏡下的微觀性能。

（3）紫外-可見光分度計(jì)

UV-Vis 分析采用UV-2450 型紫外分光光度計(jì)，測(cè)量范圍200～900 nm，實(shí)驗(yàn)掃描速度為中速，采樣間隔為1.00nm。通過以上三種實(shí)驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法進(jìn)行光譜分析，本實(shí)驗(yàn)主要分析研究紫外—可見光的吸收光譜。

（4）X射線光電子能譜

X射線光電子能譜儀分析樣品中各種元素存在形態(tài)，主要用于確定固體表面和近表面區(qū)各種元素的化學(xué)結(jié)合狀，分析Fe、N摻雜對(duì)TiO₂包覆CeO₂納米棒表面元素結(jié)合能的影響。

        圖 5. XPS高分辨能譜圖^[10]

1.2.3 在硝酸鐵、尿素、 (TiO₂,CeO₂)粉體的添加比例下擬定出樣品的摻量區(qū)別，最后找出降解尾氣的最佳比例組合。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)復(fù)合的納米粉體樣品進(jìn)行XRD實(shí)驗(yàn)和TEM實(shí)驗(yàn)，對(duì)樣品的空隙與粒徑進(jìn)行分析比較。再將樣品編號(hào)分別置于收集好的含量相同的尾氣廣口瓶中，放置相同時(shí)間測(cè)定尾氣濃度，以此找出最佳摻配組合。

1.2.4 水泥混凝土和瀝青混凝土涂層效果

（1）制備水泥混凝土試件與瀝青混凝土試件

圖 6. 擬采用水泥/瀝青混凝土骨料的級(jí)配曲線

水泥混凝土擬采用普通硅酸鹽水泥，集料采用碎石、石屑、砂和礦粉。瀝青混凝土擬采用SBS改性瀝青，采用和水泥混凝土相同的骨料。

（2）試件做好養(yǎng)護(hù)28d后，將調(diào)配好的含有Fe,N-(TiO₂,CeO₂)納米粉體的環(huán)氧樹脂涂覆在混凝土表面1～2mm，靜置、常溫養(yǎng)護(hù)2～3h，將混凝土試件置于事先收集好的儲(chǔ)存尾氣的玻璃箱中，每隔一定時(shí)間檢測(cè)玻璃箱中的尾氣濃度。改變?cè)囼?yàn)溫度和摻配比例進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)。

（3）制備好瀝青混凝土馬歇爾試件后，采用同樣的方法檢測(cè)尾氣的降解效果。

（注：實(shí)驗(yàn)過程中試件的大小必須相同，涂覆的面積必須一樣。）

 1.2.5測(cè)定涂覆后水泥混凝土試件和瀝青混凝土馬歇爾試件的路用性能

（1）力學(xué)性能試驗(yàn)

參照JC/T《環(huán)氧樹脂地面涂層材料》和JT/T《路面標(biāo)線涂料》，從拉伸粘結(jié)強(qiáng)度、抗沖擊性、耐摩擦性方面測(cè)試力學(xué)性能。通過拉伸粘結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測(cè)定涂層的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度與規(guī)范“JC/T10157d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度高于2MPa”比較；通過觀察沖擊后是否出現(xiàn)裂紋與剝落，以及出現(xiàn)裂紋和剝落時(shí)的沖擊次數(shù)，與每次沖擊后涂層剝落的多少，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)該涂層抗沖擊性能的優(yōu)良。耐摩擦性的測(cè)試分為路表宏觀構(gòu)造深度與微觀構(gòu)造深度，根據(jù)手工鋪砂法測(cè)定表面宏觀構(gòu)造深度TD（見圖7 a），用擺值儀法（見圖7 b）測(cè)定試板的摩擦擺值BPN（反應(yīng)微觀構(gòu)造深度^[11]）。

        圖7.a 宏觀構(gòu)造深度^[12]          圖7.b 微觀構(gòu)造深度^[12]

（2）高溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

采用不同溫度下的抗壓強(qiáng)度評(píng)判所制備的復(fù)合材料的高溫穩(wěn)定性^[13]。試件采用30mm×30mm×30mm立方體，試驗(yàn)溫度為23°C～50°C。在瀝青混凝土試件和水泥混凝土試件表面分別刷1.5mm的涂層，兩種材料的試件分別與原始試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，分析涂層對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響。

（3）低溫抗裂性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)JT/T280和JT/T712《路面防滑涂料》的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用先在-10°C下保持4h，再在室溫下放置4h，依次反復(fù)循環(huán)的方法研究復(fù)合材料涂層的低溫抗裂性。反復(fù)循環(huán)三次“低溫常溫”后觀察各組件表面的裂紋出現(xiàn)情況、裂紋的寬度大小。與JT/T280和JT/T712《路面防滑涂料》的標(biāo)準(zhǔn)值做對(duì)比，評(píng)價(jià)該涂層低溫抗裂性的優(yōu)良。

（4）耐久性實(shí)驗(yàn)

將刷有約1.5mm涂層的兩種試件依次放入飽和的Ca(OH)₂溶液中浸泡24h，在10%的HCl中浸泡4h，在汽油中浸泡4h，觀察試件表面氣泡，剝落以及涂層厚度的情況，根據(jù)JT/T280和JT/T712《路面防滑涂料》的標(biāo)準(zhǔn)值，評(píng)價(jià)涂層的耐酸堿及有機(jī)物的能力；用高強(qiáng)氬燈持續(xù)照射20d，觀察試件表面開裂及剝落情況，判定抗老化性。

（5）水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

通過浸水磨耗實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)涂層浸水穩(wěn)定性，將水泥混凝土與瀝青混凝土試件在25°C的水中浸泡14天，每隔24h對(duì)試件進(jìn)行浸水磨耗實(shí)驗(yàn)，繪制時(shí)間-磨耗值曲線，分析涂層的水穩(wěn)定性。

1.4 要解決的主要問題

1.4.1 樣品制備

（TiO₂,CeO₂）納米粉體的制備過程采用溶膠—凝膠和炭黑吸附相結(jié)合的方式，其制作工藝較為復(fù)雜，其中水比例、抑制劑和焙燒過程都會(huì)影響生成物的結(jié)構(gòu)和催化活性，試驗(yàn)中利用XRD對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的粉體進(jìn)行掃描分析其結(jié)構(gòu)，從而得到符合實(shí)驗(yàn)要求的樣品，進(jìn)而將符合要求的粉體樣品與硝酸鐵和尿素通過水熱法制得Fe,N-(TiO₂,CeO₂)納米粉體，同樣實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)條件要嚴(yán)格控制，以確保制得的催化劑可靠性。       

1.4.2 粉體材料表征

（1）采用組合型多功能水平X射線衍射儀對(duì)粉體進(jìn)行X射線衍射分析，其中設(shè)定的參數(shù)為λ=0.15418nm，工作電壓40kV，電流40mA，掃描范圍2從5°～80°，掃描角度2°/min，步長(zhǎng)0.02。得到XRD衍射圖譜，分析其晶型，計(jì)算粒徑。

（2）SEM 實(shí)驗(yàn)采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡LEO1530VP，EHT=5.00kV，WD=5 mm。

（3）UV-Vis分析采用UV-2450型紫外分光光度計(jì)，測(cè)量范圍200～900 nm，實(shí)驗(yàn)掃描速度為中速，采樣間隔為1.00nm。

（4）X射線光電子能譜分析樣品中各種元素存在形態(tài)，主要用于確定固體表面和近表面區(qū)各種元素的化學(xué)結(jié)合狀，分析Fe、N摻雜對(duì)TiO₂包覆CeO₂納米棒表面元素結(jié)合能的影響。

通過以上四種實(shí)驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法進(jìn)行光譜分析，本實(shí)驗(yàn)主要分析研究紫外—可見光的吸收光譜。實(shí)驗(yàn)期望能譜圖的帶隙能顯著降低，由此可以證明通過實(shí)驗(yàn)獲得的Fe,N-(TiO₂,CeO₂)納米粉體，對(duì)可見光的利用率提高。

1.4.3 硝酸鐵、尿素、（TiO₂,CeO₂）粉體最佳參配分析

因?yàn)槠鸬焦獯呋饔玫闹黧w是（TiO₂,CeO₂）納米粉體，該實(shí)驗(yàn)中采用控制變量法。首先對(duì)（TiO₂,CeO₂）納米粉體進(jìn)行試驗(yàn)，控制CeO₂的含量不變改變TiO₂的摻加量進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)找到二者最優(yōu)比例。在上面的基礎(chǔ)上控制（TiO₂,CeO₂）納米粉體的比例含量不變，通過改變硝酸鐵和尿素的摻加的比例找到最優(yōu)的N/Fe摻量，以此來獲得四者的最優(yōu)參配比。

1.4.4 水泥/瀝青混凝土的應(yīng)用性分析

試驗(yàn)中水泥混凝土和瀝青混凝土均采用同一級(jí)配的骨料，對(duì)試件的大小嚴(yán)格控制相同。目的是排除由于骨料的級(jí)配和反應(yīng)時(shí)的接觸面積對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。通過在玻璃箱中收集相同濃度的汽車尾氣，將含有Fe,N-(TiO₂,CeO₂)納米粉體環(huán)氧樹脂涂覆在試件表面，反應(yīng)相同時(shí)間，再次檢測(cè)玻璃箱中的尾氣濃度，從而分析得出水泥混凝土與瀝青混凝土對(duì)Fe,N-(TiO₂,CeO₂)的實(shí)用性。

對(duì)涂覆有復(fù)合納米材料的水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件、標(biāo)準(zhǔn)瀝青混凝土馬歇爾試的的路用性能，研究納米涂層的路用性能。

主要參考文獻(xiàn)

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國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

在國(guó)外研究中，Harada K等^[1]將TiO₂薄膜光催化材料涂覆在建筑墻壁及玻璃陶瓷表面，結(jié)果表明TiO₂可有效降解空氣中的甲醛、甲苯、SOx、NOx。Tsuyoshi Ochiai^[2]等人結(jié)合光催化與等離子技術(shù)開發(fā)等離子體光催化協(xié)同反應(yīng)堆用來凈化空氣中的煙霧，結(jié)果表明1m³區(qū)域內(nèi)煙霧在30min內(nèi)被降解完全。日本大阪^[3]利用氟樹脂及TiO₂開發(fā)出抗剝離光催化薄板用于降解NOx，試驗(yàn)表明NOx降解度可達(dá)90%。Vorontsov^[4]等分別用光沉積技術(shù)制得的Pt/TiO₂光催化劑和用NaBH₄處理過的Pt/TiO₂催化劑Pt/TiO₂-C對(duì)丙酮進(jìn)行光分解，研究表明由于Pt/TiO₂-C對(duì)丙酮有較強(qiáng)的吸附能力和較高的反應(yīng)速率常數(shù)，相對(duì)于TiO₂和Pt/TiO₂而言，Pt/TiO₂-C對(duì)丙酮具有更高的活性。

2011年Hassan^[5]評(píng)估了TiO₂應(yīng)用于溫拌瀝青混合料所帶來的環(huán)境效應(yīng)，以涂層形式負(fù)載的TiO₂對(duì)氮氧化合物的效率可以達(dá)到31%～55%，然而涂層較薄，使用長(zhǎng)期性能有待驗(yàn)證。

2012年葡萄牙Carneiro等^[6]使用直摻法和噴涂法制備光催化瀝青混合料試件，并采用光降解亞甲基藍(lán)的方法評(píng)價(jià)其光催化性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，噴涂光催化試件的光催化性能優(yōu)于直摻試件且不影響混合料自身性能及施工性能，但噴涂后的耐久性需進(jìn)一步檢驗(yàn)；2014年Thomas Martinez等^[7]以丙烯酸乳液為基料并添入納米TiO₂及其他助劑制得光催化涂料，隨后將該涂料用于砂漿試件表面并測(cè)試其對(duì)VOC（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）的光催化降解率，結(jié)果表明該涂料對(duì)VOC有很好地降解效果且降解率在低濃度條件下隨濕度增加而降低，高濃度條件下變化趨勢(shì)相反。

國(guó)內(nèi)研究和國(guó)外相比起步較晚。葉超、陳華等^[8]認(rèn)為采用納米TiO₂對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行改性后，所制備的瀝青混合料在不增加最佳油石比的前提下，水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性均明顯的優(yōu)于普通的SBS改性瀝青混合料。

姬彪、王國(guó)慶等^[9]認(rèn)為TiO₂可形成降溫效果好的新型的瀝青路面熱反射涂層。苑廣友^[10]發(fā)現(xiàn)Nano-TiO₂基光觸媒材料在混合料中的分散性對(duì)其光催化降解尾氣中NO_X等氣體的降解效果有一定的影響。郭重霄、郝培文^[11]認(rèn)為溫拌瀝青混合料中加入TiO₂不但可以減少在制備WMA過程中的能源消耗，而且還可以降低污染物排放量。

江鴻等^[12]發(fā)現(xiàn)TiO₂是一種只有波長(zhǎng)小于388nm的紫外光激發(fā)才會(huì)使其產(chǎn)光生電子和空穴的寬禁帶半導(dǎo)體，TiO₂的光譜吸收和光催化活性取決于它的能帶結(jié)構(gòu)，而改變能帶結(jié)構(gòu)并擴(kuò)展其吸收光譜范圍最有效的方法是摻雜其它元素。N能形成亞穩(wěn)的深能級(jí)受主中心和較小的電離能，減少TiO₂的禁帶寬度。

黃清麗^[13]發(fā)現(xiàn)摻雜Fe-TiO₂的瀝青混合料可以降解汽車尾氣中得有害物HC、NO_X和CO，同種級(jí)配同種摻雜方式不同摻量時(shí)，尾氣降解速度隨摻量的增加而增大，但并不是呈線性關(guān)系，當(dāng)采用涂覆式的摻配方式時(shí)，在較小的摻量下就可以達(dá)到很好的降解效果，當(dāng)涂覆式摻量10%左右，最為經(jīng)濟(jì)合理采用；而摻入式則需要將光催化劑粉Fe-TiO₂摻量增加到較大的比例后混合料的降解效能才能發(fā)揮出來，所以推薦的摻入式光催化劑摻量為礦粉質(zhì)量的50%左右較為經(jīng)濟(jì)合理。

馬春燕^[14]發(fā)現(xiàn)排水路面具有排水迅速、減少噪音、表面粗糙、構(gòu)造深度大、抗滑、降低熱島效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，而納米TiO₂技術(shù)具有吸收汽車尾氣的能力，沒有毒性、能耗低、無二次污染等優(yōu)勢(shì)，將二者有機(jī)結(jié)合，橡膠瀝青排水路面具有大空隙等特點(diǎn)，空隙率一般在18%～25%之間，可以為TiO₂與汽車尾氣提供更大的接觸面積，提升了TiO₂的凈化效果。納米TiO₂除了作為光催化劑外，也可以作為添加劑用于瀝青混合料中，提高混合料的抗老化性能，改善其力學(xué)性能等。但摻入TiO₂會(huì)影響瀝青混合料的水穩(wěn)定性，橡膠瀝青能夠大大提高混合料的水穩(wěn)定性，這可以克服納米TiO₂帶來的瀝青混合料水穩(wěn)定性降低的缺點(diǎn)。光催化顆粒的摻入基本不會(huì)影響瀝青混合料的其它路用性能，故在摻入TiO₂時(shí)，可以不考慮其對(duì)瀝青混合料其它路用性能的影響。

耿九光、李毅等^[15]提出采用累計(jì)降解百分率、最大降解反應(yīng)時(shí)間、平均降解速率3項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)光催化降解尾氣效率的方法，并以此確定了納米CeO₂基光催化材料的最佳摻量。所制備的復(fù)合涂層材料能高效催化降解汽車尾氣中的NOx、HC等有害氣體，其最大降解百分率可分別達(dá)到94%和12%，但該涂層材料對(duì)CO、CO₂降解效果不明顯；綜合降解效能和經(jīng)濟(jì)成本等多方面因素，涂層材料中光催化劑納米二氧化鈰和TiO₂的推薦摻量分別為10%和5%。

錢國(guó)平、朱俊文等^[16]用硅烷偶聯(lián)劑將納米TiO₂材料分別涂于普通瀝青砼和乳化瀝青稀漿封層上制得TiO₂涂層，并通過制作車轍板進(jìn)行光催化降解試驗(yàn)，測(cè)試該涂層材料應(yīng)用于兩種路面結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)汽車尾氣中NO氣體的降解效果。結(jié)果顯示，當(dāng)TiO₂與硅烷偶聯(lián)劑按質(zhì)量比1比3混合時(shí)制得的涂層材料對(duì)NO降解效果最佳，該涂層用于普通瀝青路面時(shí)1h內(nèi)對(duì)NO的降解率達(dá)到40%，用于路面封層時(shí)對(duì)NO的降解率接近30%，略低于相同條件下的普通瀝青路面。

張廣泰、鄧洋洋等^[17]將TiO₂應(yīng)用到彩色防滑路面中，研究其對(duì)汽車尾氣的降解效果及路用性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：在最佳摻量為20g時(shí)，其對(duì)汽車尾氣中的一氧化氮和碳?xì)浠衔锏葰怏w，在太陽光下，實(shí)際降解率分別達(dá)到了27.20%和14.86%；對(duì)比摻入等量TiO₂的彩色防滑試件與瀝青混合料試件的實(shí)際降解效率，發(fā)現(xiàn)前者對(duì)一氧化氮和碳?xì)浠衔飳?shí)際降解效率分別是后者的3倍和1.5倍；TiO₂的摻入對(duì)擺值、構(gòu)造深度以及車轍變形沒有影響，動(dòng)穩(wěn)定度略有變化。

劉成虎、連瑞揚(yáng)等^[18]隨著納米TiO₂摻量的不斷增加，試件對(duì)HC、CO和NO三種尾氣成分的降解效果越來越好，從綜合降解效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，選定5%為最佳摻量；納米TiO₂對(duì)尾氣的降解效果隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)越來越好；混合料的各項(xiàng)路用性能隨著納米TiO₂的摻入而變得更好，所以實(shí)際工程應(yīng)用中不必考慮其對(duì)混合料路用性能的不利影響。

孫立軍，徐海銘等^[19]考慮在防撞墻表面涂刷納米TiO₂以增強(qiáng)道路系統(tǒng)對(duì)尾氣的分解能力。結(jié)果表明，直接拌和方法適用于大規(guī)模的道路施工，且對(duì)尾氣分解效果明顯；OGFC級(jí)配因其較大的空隙而更有利于納米TiO₂催化作用的發(fā)揮； 將納米TiO₂分散在溶劑中后涂刷于防撞墻表面，同樣能夠催化分解有害氣體。

況棟梁、裴建中等^[20]為了研究光催化材料TiO₂對(duì)隧道內(nèi)汽車尾氣的凈化效果，首先采用溶膠－凝膠法制備納米TiO₂光催化劑，采用不同摻量的Fe³⁺納米TiO₂，并在500℃焙燒得到樣品，然后利用自制尾氣凈化設(shè)備進(jìn)行凈化試驗(yàn)，接著對(duì)其進(jìn)行X衍射（XRD）測(cè)定和紅外光譜（FTIR）分析。結(jié)果顯示，摻雜Fe³⁺能夠同時(shí)捕獲電子和空穴，從而降低電子空穴對(duì)的復(fù)合幾率，提高納米TiO₂的光催化性能，弱紫外光條件下對(duì)CO、CO₂、HC、NO_x的凈化效率比未摻雜的納米TiO₂分別能提高0.6%、0.6%、2.3%、8.2%。

韓相春、白?，摰?/span>^[21]為了在道路交通工程中利用TiO₂光催化材料降解汽車尾氣中NO_x、CO₂、O₂、CO、HC有害氣體，根據(jù)TiO₂光催化機(jī)理和特性，研究確定了對(duì)光催化材料的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)。利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)TiO₂光催化降解材料的實(shí)測(cè)表明：測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，既可滿足對(duì)TiO₂光催化降解材料的測(cè)試，又可對(duì)汽車尾氣進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

錢春香等^[22]人對(duì)路面水泥基材負(fù)載納米TiO₂光催化氧化汽車尾氣氮氧化物過程中濕度、溫度和光強(qiáng)對(duì)催化反應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，光催化氧化效率隨濕度增加而急劇下降；當(dāng)NO₂濃度較低時(shí)，光照強(qiáng)度對(duì)光催化氧化效率的影響不顯著；當(dāng)NO₂濃度較高時(shí)，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，光催化氧化效率呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。在0～25℃的溫度范圍內(nèi)，光催化氧化效率隨溫度升高而提高，但在25～60℃范圍內(nèi)溫度的影響并不顯著。當(dāng)相對(duì)濕度在60%～72%范圍內(nèi)時(shí)，光催化氧化效率隨濕度增加而急劇下降，由95%下降到45%。在相對(duì)濕度為0時(shí)，光催化反應(yīng)初期具有較好的光催化氧化效率，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，光催化性能急劇下降。

李劍飛^[23]針對(duì)兩種不同晶型的納米TiO₂對(duì)尾氣中碳?xì)浠衔锓纸庑ЧM(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)銳鈦礦型納米TiO₂對(duì)HC的催化分解效果更好，但需要在室外陽光充足的條件下才能發(fā)揮作用。而同樣在室外陽光充足的情況下，銳鈦礦型納米TiO₂對(duì)HC的分解效果夏季優(yōu)于冬季。

魏鵬采^[24]用水性涂料作為TiO₂載體，將其覆涂在水泥路面或?yàn)r青路面。采用單階段試驗(yàn)和循環(huán)試驗(yàn)評(píng)價(jià)了涂料降解尾氣的能力以及使用性能，發(fā)現(xiàn)該型涂料對(duì)降解HC、NO具有良好的效果；連續(xù)試驗(yàn)會(huì)造成其降解效能逐漸降低，但經(jīng)過清洗后降解效能基本恢復(fù)，在經(jīng)歷五次循環(huán)試驗(yàn)后，對(duì)NO的降解效能基本沒有。

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[24] 魏鵬.可降解汽車尾氣的瀝青混合料路面研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2008

本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)

項(xiàng)目組成員深入學(xué)習(xí)了《路基路面工程》、《瀝青與瀝青混合料》等書，下載閱讀了相關(guān)文獻(xiàn)資料，為前期理論知識(shí)打好基礎(chǔ)，積極參與了該課題前期資料調(diào)研，參與項(xiàng)目評(píng)價(jià)測(cè)試設(shè)備儀器的設(shè)計(jì)與制作，并參與指導(dǎo)老師相關(guān)科技項(xiàng)目的前期材料使用效果的初步測(cè)試。項(xiàng)目組成員組成合理，骨干成員參與了多個(gè)科技項(xiàng)目及賽事，熟悉科技工作流程。

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

（1）項(xiàng)目基于TiO₂和CeO₂的物理化學(xué)特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、化學(xué)學(xué)科等，創(chuàng)新性的利用這些性質(zhì)，在一定的條件下降解汽車尾氣中的有毒有害氣體。

（2）根據(jù)二氧化鈦的能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，摻入合適的摻雜劑來改變二氧化鈦的能帶結(jié)構(gòu)來擴(kuò)展其吸收光譜范圍，而提高二氧化鈦在可見光區(qū)的催化能力量。

（3）復(fù)合CeO₂具有優(yōu)異的儲(chǔ)放氧性能，能夠給NO氧化還原提供了容易接近的吸附位，以提高涂層對(duì)NO氧化還原的能力。

（4）本實(shí)驗(yàn)研究通過陰陽離子共摻雜TiO₂，同時(shí)復(fù)合CeO₂產(chǎn)生二元協(xié)同效應(yīng)，顯著提高粉體在可見光區(qū)的光催化能力，其對(duì)有機(jī)污染物的可見光催化效率優(yōu)于單一摻雜。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

1.技術(shù)路線

2．預(yù)期成果

（1）制備Fe,N-(TiO₂，CeO₂)材料，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，研制出具有良好降解路面汽車尾氣的涂層，同時(shí)使涂層具有良好的路用性能，滿足規(guī)范要求；

（2）發(fā)表學(xué)術(shù)論文1篇；

（3）完成項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

【第一年度】2018年3月～2018年12月：收集資料，進(jìn)行涂層比例設(shè)計(jì)；制備二氧化鈦、二氧化鈰共摻鐵氮粉體及涂層；對(duì)粉體進(jìn)行性能測(cè)試與表征。

【第二年度】2019年1月～2019年6月：對(duì)涂層進(jìn)行尾氣降解性能試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)果分析整理；項(xiàng)目結(jié)果整理以及成果發(fā)表，提交項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告。

指導(dǎo)教師意見

申請(qǐng)人擬申報(bào)的項(xiàng)目立足交通運(yùn)輸工程的前沿，綜合運(yùn)用多學(xué)科基礎(chǔ)理論。利用二氧化鈦、二氧化鈰的結(jié)構(gòu)、光電等特性，通過元素?fù)诫s及復(fù)配工藝，獲得性能優(yōu)越的Fe,N-(TiO₂，CeO₂)納米粉體材料，并通過調(diào)控、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，將納米粉體與環(huán)氧樹脂混合攪拌涂覆于瀝青、水泥路面，研究在不同溫度濕度和不同尾氣濃度條件下，其對(duì)尾氣降解的效果及涂層的路用性能。研究目標(biāo)明確，內(nèi)容充實(shí)，學(xué)術(shù)思想創(chuàng)新，研究方案合理可行，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。且本課題組在土木工程材料領(lǐng)域應(yīng)用有大量的工作積累，預(yù)計(jì)可以在環(huán)保型瀝青路面涂層的制備與性能調(diào)控方面獲得較好的創(chuàng)新成果。同意申報(bào)！

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