项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

赵善宇

项目受资助机构

常州大学

立项年度

2016

立项时间

未公开

项目编号

51678080

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

63.00万元

学科

工程与材料科学-环境工程-城市污水处理与资源化

学科代码

E-E10-E1002

基金类别

面上项目

关键词

气凝胶复合水泥基材料 ; 梯度功能材料 ; 光催化降解 ; 复合材料 ; 智能混凝土 ; Aerogel-incorporated cement based material ; Functionally graded material ; Photocatalytic degradation ; Composites ; Smart concrete

参与者

夏雄；王新杰；胡坤；耿犟；郑猛；刘文影；陈凯

参与机构

常州大学

项目标书摘要：制备具有可见光催化活性的气凝胶复合水泥基梯度功能材料(AIC-FGM),研究其微观结构、力学性能、耐久性及快速吸附/光催化性能，建立具有可见光降解活性的AIC-FGM设计方法。对不同硅、钛前驱体和掺杂方式制备的复合气凝胶，在低温水热条件下(130-200°C)进行晶体结构控制，研究复合气凝胶孔结构、元素分布、晶体结构、界面结构及吸附—光催化降解效率。通过复合不同水泥基材料，研究气凝胶颗粒级配，水灰比，外加剂和气凝胶掺量对AIC-FGM的一体化成型、功能层与界面分布、光催化/保温性能的影响；优化各功能层结构，使得强度层抗压强度达到30Mpa以上，气凝胶层可见光作用下对有机污染物降解达到98%以上，整体热导率低于0.3 W m-1 K-1;采用多因素耦合分析AIC-FGM的孔结构、界面结构与光催化活性、热导率的关系，建立新型AIC-FGM材料设计方法。

Application Abstract: An unique TiO2-SiO2-X hybrid aerogel is proposed to be synthesized by using various silica and titania precursors and modified with different doping materials and strategies,the new developed aerogel hybrid shows multi-functional performance of high photocatalytic degradation under visible light,thermal insulation and lightweight.When the hybrid aerogel is prepared,the focus would be put on the in-situ crystal structure control of TiO2 in the gels under low temperature(130-200°C)hydrothermal treatment,and studies of porous structure,elemental analysis,crystal structure,interface texture as well as photocatalytic efficiency are systematically carried out for an optimization of the hybrid materials.Afterwards,an aerogel-incorporated cement-based functionally graded material(AIC-FGM)is launched by impregnating hybrid aerogels into cementitious matrix and designing through an integrated construction technology.The cement types,the aerogel granular size grading,additives and W/C ratio are studied to optimize the functional sections of the AIC-FGM.And the following properties of visible light photo-degradation and thermal insulation are considered to reach a best material of aerogel concrete.So called new type of muti-functional AIC-FGM is going to show a high catalytic activity(expected to reach 98%degradation of typical organic pollutants)as well as low thermal conductivity(expected to below 0.3 W m-1 K-1).The multivariate coupling effects on the porous structure,interface texture,photocatalytic and thermal performances are investigated and the relating photocatalytic mechanism is developed,which provides a fundamental basis for building a design strategy for new launched AIC-FGM materials.

项目受资助省

江苏省

项目结题报告(全文)

环境保护和节能减排是目前我国经济社会发展的主要约束因素，是国家中长期科学和技术发展的重中之重研究领域。而目前与污染物接触最频繁的材料就是我们日常生活依赖的建筑材料，因此研究和开发具有污染物处理功能的建筑材料，无论对于居民生活的改善、新型城市的建设还是污染的防治都具有很重要的现实意义和社会价值。项目对不同硅、钛前驱体以及杂化材料进行了全面的研究，成功在环境干燥和溶胶—凝胶条件下制备了TiO2-SiO2-C(N)复合气凝胶材料。水热合成 pH 2-3形成的主要晶相为锐钛矿相，气凝胶孔隙率高于92%,表观密度0.09-0.15 g/cm3,比表面积达到450-650m2/g。憎水性对于水基污染物(罗丹明B和腐殖酸)降解有影响，总体降解率较低(60分钟低于40%),采用乙醇—水混合溶剂,50 vol.%乙醇/水条件下,320分钟达到99%,在60分钟内对腐殖酸93.9%的快速降解。同时碳化果糖和壳聚糖进行碳氮掺杂，四环素180分钟可以去除80%,并且通过循环7次，降解率依然超过60%。机理研究方面，通过电子自旋共振研究了羟基自由基(∙OH)和超氧自由基(∙O2-)在污染物氧化过程中遵循拟一级反应，由于掺杂，电子—空穴对在凝胶中被有效保留。气凝胶与普通硅酸盐水泥、高贝利特、高硫铝酸盐水泥等不同种水泥复合。对憎水性气凝胶与水泥基材料的复合进行设计和一体化施工，强制凝胶层上浮，从而形成强度层—界面过度层—复合气凝胶砂浆降解层的梯度功能结构。在600分钟内复合水泥基材料可达到88%的降解率。TiO2-SiO2-C憎水性气凝胶混凝土在可见光，气流量6 µl/min mm2 的泵送条件下,250分钟对气相污染物(甲苯)的降解率达到93%。耐久性问题，在抗冻性和抗水性方面，气凝胶的加入没有明显的负面影响。但是在体积稳定性(干缩)和碱骨料反应方面，气凝胶对水泥基出现了一定的负面影响，特别是在长期的碱骨料反应方面，可能是气凝胶混凝土最大的隐患之一。气凝胶混凝土的气凝胶组分—结构—强度—降解的关系方向，基于同步加速器X射线显微断层分析研究了复合气凝胶—水泥基材料的的结构—性能关系。