硅钛气凝胶复合多功能混凝土的制备、微观结构特征及其光催化/传热复合特性研究

An unique TiO2-SiO2 binary aerogel is going to be prepared by using various silica and titania precursors, the new developed aerogel hybrid shows a multi-functional performance of high photocatalysis, thermal insulation and lightweight. When the binary aerogel is prepared, the focus should be put on the cystal structure control of TiO2 in the gels, and systematical studies of porous structure, interface texture as well as photocatalytic efficiency and heating transferring are carried out. After the synthesis of the photocatalytic aerogel hybrids, a combination of cementitious materials and aerogel is lanched by investigating the cement types, the aerogel granular size grading and W/C ratio. And the following properties of photocatalysis and thermal insulation are considered to reach a best material of aerogel concrete. So called new type of muti-functional aerogel concrete is going to show a high catalytic activity as well as low thermal conductivity(expected to below 0.2 W/(m K)). The multivariate coupling effects on the porous structure, interface texture, photocatalytic and thermal performances are investigated and the relating photocatalytic mechnisum and thermal insulation model is developed, with the catalytic mechanism and thermal model, the effective degradation of pollutants and thermal conductivity of a uniform cell is evaluated of the system.

本课题研究多功能气凝胶及其混凝土复合材料的制备、微观结构形态及其光催化/导热性能，进而分析光催化效能并建立相应的导热模型。采用不同硅前驱体和钛前驱体制备TiO2-SiO2多功能（光催化降解/保温/轻质）复合气凝胶材料，对TiO2晶体结构进行控制，对复合气凝胶孔结构、界面结构、光催化降解效率及传热机制进行研究。结合不同水泥基材料，考虑二元气凝胶颗粒级配，水灰比和气凝胶的掺量对于混凝土制备、光催化活性/保温性能的影响，制备出新型多功能气凝胶混凝土材料；研究pH值对复合气凝胶混凝土强度、耐久性的影响规律；在此基础上制备出复合气凝胶混凝土，使其具有较高光催化活性，热导率低于0.2W/(m K)；采用多因素耦合效应分析复合混凝土的光催化效能规律；研究材料孔结构、界面结构，光催化活性与热导率之间的关系；基于理论探索和试验分析，研究复合气凝胶混凝土的光催化机理及传热机制。

本项目基于节能减排与环境保护两大社会问题及其相互关联性立题，在此基础上研究具有节能保温和污染物处理相结合的多功能建筑材料。.本课题通过对不同硅、钛前驱体以及溶胶-凝胶工艺的研究，成功制备了TiO2-SiO2复合气凝胶材料，通过研究硅含量，Si/Ti摩尔比，煅烧温度，煅烧时间的优化和研究，得到的煅烧处理干凝胶降解甲基橙360分钟可达到97%；在此基础上，研究发现未煅烧的憎水性气凝胶具有优良的孔隙结构并以产生完整锐钛矿相，辅助以水醇混合溶剂，甲基橙和腐殖酸在30-60分钟，降解率就可以达到约90%；另一方面，项目开发了水热合成气凝胶，在混合溶剂辅助下可以达到短时间30分钟以内快速降解常规有机污染物。气凝胶混凝土的研究首先对于气凝胶在碱性环境里的稳定性进行了研究，利用气凝胶层的憎水性，自动分层形成气凝胶降解层和水泥基强度层，得到的水泥基复合材料满足混凝土的力学性能要求，在混合溶液短时间5小时内，可达到~90%降解率。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。.项目开发了多项原创性结果，复合气凝胶方面：i）发现煅烧前后对锐钛矿晶相没有太大的改变，复合凝胶不需要煅烧处理，通过采用污染物的混合溶剂，短时间1小时内，可达到90%降解率；ii）水热合成法低温晶化TiO2，制备憎水性复合气凝胶并提高了降解效率，水醇混合溶液中降解30分钟达到95%。气凝胶混凝土方面：i）研究了气凝胶与水泥基水化物界面结构，特别是碱-硅（气凝胶）反应；ii）利用气凝胶憎水性开发出多功能梯度混凝土，混合溶液辅助300分钟降解可达到90%。.本项目比较系统的研究和解决了复合气凝胶混凝土开发和应用的3个主要问题：1.制备具有保温-污染物降解复合气凝胶；2.气凝胶与混凝土复合的性能优化；3.通过结构与性能分析，建立了复合气凝胶混凝土微观结构与宏观力学、导热、降解性能的关系。