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光催化材料及其在大壩混凝土中的應(yīng)用展望

文檔作者：劉紹彥曾力文檔來源：武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年11月19日
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上一篇：海子灣水庫工程大壩設(shè)計(jì)的探討

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２０１８ 年第７ 期
２０１８ Ｎｕｍｂｅｒ ７
水電與新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
第３２ 卷
Ｖｏｌ．３２
ＤＯＩ： １０．１３６２２ ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１８．０７．００２
收稿日期：２０１８ －０５ －２６ 作者簡介：劉紹彥，女，碩士研究生，研究方向：材料學(xué)。
光催化材料及其在大壩混凝土中的應(yīng)用展望
劉紹彥，曾 力
（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 ４３００７２）
摘要：光催化技術(shù)已成為當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，ＴｉＯ２ 作為目前最有前景的光催化材料，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于城市建
筑領(lǐng)域，但在水工行業(yè)尚無應(yīng)用。對(duì)ＴｉＯ２ 光催化氧化和光致超親水性機(jī)理，及其在空氣污染物凈化、除菌、自清潔和防
霧材料等方面的研究與應(yīng)用做了綜述。并結(jié)合光催化技術(shù)對(duì)大壩混凝土表面耐污性耐候性問題的解決做了展望。
關(guān)鍵詞：光催化；二氧化鈦；大壩混凝土；表面保護(hù)材料
中圖分類號(hào)：Ｏ６４３．３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號(hào)：１６７１ －３３５４（２０１８）０７ －０００５ －０５
Photocatalytic Material： Introduction and Application Prospect in Dam Concrete
ＬＩＵ Ｓｈａｏｙａｎ， ＺＥＮＧ Ｌｉ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７２， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ．
Ａｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ， ＴｉＯ２ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｕｒｂａｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｂｕｔ ｙｅｔ ｉｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ＴｉＯ２ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｈｏｔｏ -ｉｎｄｕｃｅｄ
ｓｕｐｅｒ-ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃｉｔｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ， ｓｅｌｆ-ｃｌｅａｎｉｎｇ ａｎｄ
ａｎｔｉ-ｆｏｇｇｉｎｇ．Ａｌｓｏ， ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｄａｍ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｒｆｉｃｉａｌ ｓｔａｉｎ ｒｅｓｉｓｔ -
ａｎｃｅ ａｎｄ ｗｅａｔｈｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Key words： ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓ； ｔｉｔａｎｉｕｍ ｄｉｏｘｉｄｅ； ｄａｍ ｃｏｎｃｒｅｔｅ； ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ
光催化技術(shù)是一項(xiàng)綠色高效的環(huán)保技術(shù)，現(xiàn)已成
為環(huán)保材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。１９７２ 年日本科學(xué)
家Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ 等［１］ 第一次在研究中發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦
（ＴｉＯ２ ）在紫外線作用下可將水分解成氫氣和氧氣。
自此之后，許多科學(xué)家投身于光催化材料的開發(fā)與應(yīng)
用，并且取得了大量的研究成果。當(dāng)前常用的光催化
劑有Ｔｉ０２ 、ＣｄＳ、ＺｎＯ、ＷＯ３ 、Ｆｅ２ Ｏ３ 、ＳｎＯ２ 等［２］ ，其中ＴｉＯ２
由于其催化性能好，且無毒無污染，被認(rèn)為是當(dāng)今最有
前景的光催化劑。目前利用ＴｉＯ２ 光催化作用制成的
材料已大量應(yīng)用于涂料、玻璃、建筑外墻、造紙、化纖、
橡膠、化妝品，以及耐火材料、耐高溫實(shí)驗(yàn)器皿的制造
等多個(gè)領(lǐng)域［３ －４］ ，但在水工混凝土建筑物上的應(yīng)用還
處于嘗試階段，仍有很多問題亟待探索與研究。
大壩混凝土常年受到日光照射、空氣侵蝕、氣溫變
化和雨水沖刷，隨著運(yùn)行年限的增加，其表面耐候性問
題日漸突出。同時(shí)，又因?yàn)榇髩位炷劣兄嗫?、濕?
的特點(diǎn)，汛期泄洪時(shí)霧化還會(huì)使其濕度進(jìn)一步加大，這
種環(huán)境適合于苔蘚等植物或微生物在其表面產(chǎn)生繁
殖。該類生物以庫水中的天然有機(jī)質(zhì)為養(yǎng)分，其生長
和死亡導(dǎo)致壩體表面發(fā)黃、發(fā)黑，極大影響了壩體美
觀。當(dāng)前對(duì)大壩混凝土表面防護(hù)技術(shù)的研究中，雖然
在解決耐久性問題上已初具成效，并使其表面有一定
自清潔效果，但就其長期效果而言，仍不能明顯提高混
凝土表面的耐沾污性能、縮短大壩清潔周期、解決其長
期清潔問題。由于光催化材料有隔離紫外線并實(shí)現(xiàn)光
催化自清潔的功能，如果能將光催化材料運(yùn)用到大壩
混凝土表面防護(hù)上，可在一定程度上解決大壩表面耐
候性及清潔美觀問題。本文對(duì)ＴｉＯ２ 光催化原理、特性
及應(yīng)用做了論述，同時(shí)試圖對(duì)ＴｉＯ２ 光催化材料的光催
化基本原理運(yùn)用于大壩混凝土表面防護(hù)的應(yīng)用前景作
５ 萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源２０１８ 年第７ 期
一些設(shè)想和展望。
１ 自清潔機(jī)理
1．1 光催化氧化還原反應(yīng)
ＴｉＯ２ 為半導(dǎo)體氧化物，能級(jí)滿足半導(dǎo)體能帶結(jié)
構(gòu)。半導(dǎo)體的能帶一般由一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶
（ＶＢ）和一個(gè)空的或半滿的高能導(dǎo)帶（ＣＢ）組成。與金
屬的連續(xù)能級(jí)不同，半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在空
隙，稱為帶隙寬度或帶隙能（Eg ）。通常情況下，ＴｉＯ２
有銳鈦型和金紅石型，其中銳鈦型的帶隙能為３．２ ｅｖ，
金紅石型為３．０ ｅｖ。當(dāng)入射光能E 大于帶隙能Eg 時(shí)，
即E ＝hcλ
≥Eg 時(shí)，或者說當(dāng)入射光波長λ小于光吸收
波長閾值λg 時(shí)，即λ≥λg ＝１ ２４０ Eg
時(shí)，價(jià)帶上的電子
（ｅ－）會(huì)躍遷到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶上形成一個(gè)帶正電
的空穴（ｈ＋），即ＳｉＯ２→hv ｅ－ ＋ｈ＋。該反應(yīng)為初級(jí)反應(yīng)，
隨后光生電子和空穴會(huì)發(fā)生一系列次級(jí)反應(yīng)，主要反
應(yīng)［５ －６］ 如下。
１）光生電子和空穴發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，使能量以熱能
形式釋放：
ｈ＋ ＋ｅ－→V
２）空穴具有強(qiáng)氧化性，與附著在表面的水分解生
成的ＯＨ－反應(yīng)生成羥基自由基：
ｈ＋ ＋Ｈ２ Ｏ→· ＯＨ ＋Ｈ＋
ｈ＋ ＋ＯＨ→· ＯＨ
３）電子具有還原性，與氧氣（Ｏ２ ）發(fā)生還原反應(yīng)，
生成超氧陰離子自由基。超氧陰離子自由基又會(huì)發(fā)生
進(jìn)一步反應(yīng)：
ｅ－ ＋Ｏ２→· Ｏ２
－
Ｈ＋ ＋Ｏ２
－→ＯＨ２
空穴（ｈ＋）及生成的羥基自由基（· ＯＨ），羥基自
由基有極強(qiáng)的氧化能力，其氧化電勢高于大多數(shù)常用
氧化物，從而使附著在表面的有機(jī)污染物被氧化。羥
基自由基（· ＯＨ）具有的反應(yīng)能高于Ｃ －Ｃ，Ｃ －Ｎ，Ｃ －
Ｈ，Ｎ －Ｈ 等化學(xué)鍵的鍵能，使化學(xué)鍵破壞。最終有機(jī)
污染物被降解成無二次污染的二氧化碳（ＣＯ２ ）、水
（Ｈ２ Ｏ）和無機(jī)酸。
1．2 超親水性
紫外線光照條件下，ＴｉＯ２ 薄膜表面的水滴接觸角
迅速變小，水滴迅速分散平鋪在薄膜表面，使表面最終
濕潤。ＴｉＯ２ 的超親水性是由Ｒ．Ｗａｎｇ 等［７］ 首次發(fā)現(xiàn)
的。他們通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在未經(jīng)光照時(shí)，ＴｉＯ２ 薄膜與
水的接觸角約為７２°，經(jīng)過紫外線照射后，其接觸角迅
速變小，甚至接近于０°。對(duì)于油狀有機(jī)液體，也有相
同的性質(zhì)，即ＴｉＯ２ 具有水油超雙親效應(yīng)。因此，當(dāng)
ＴｉＯ２ 薄膜表面被污染時(shí)，由于其水油雙親性，污染物
不易附著，會(huì)隨外部風(fēng)力、雨水沖刷的作用而脫落
下來。
目前對(duì)ＴｉＯ２ 的超親水性機(jī)理尚無統(tǒng)一的解釋。
常見的觀點(diǎn)有以下兩種［８ －１０］ ：
１）ＴｉＯ２ 的超親水性是由于其表面附著的有機(jī)物
的光催化分解反應(yīng)。ＴｉＯ２ 表面本身的化學(xué)吸附水（即
羥基）是親水性的，吸附了空氣中有機(jī)物后變?yōu)槭杷?
性。經(jīng)過紫外光照射后，表面有機(jī)物經(jīng)光催化反應(yīng)分
解重新變?yōu)橛H水性。停止光照后，有機(jī)物再次附著到
其表面，表面恢復(fù)到疏水狀態(tài)。
２）ＴｉＯ２ 的超親水性是由于其表面結(jié)構(gòu)的變化。
在紫外光照下，ＴｉＯ２ 表面產(chǎn)生了空穴和電子?？昭ê?
電子分別與氧離子和Ｔｉ４ ＋反應(yīng)，形成氧空位和Ｔｉ３ ＋。
此時(shí)空氣中的水解離子吸附在氧空位中，成為化學(xué)吸
附水（羥基）。化學(xué)吸附水進(jìn)一步吸附水形成物理吸
附層，在宏觀上就表現(xiàn)為超親水性。
對(duì)于以上觀點(diǎn)，目前還未最終定論，仍需要進(jìn)一步
研究。
２ 光催化應(yīng)用
2．1 降解空氣污染物
汽車尾氣排放的氮氧化合物以及燃煤排放的硫化
物是城市大氣污染的重要污染物，通過光催化反應(yīng)可
將其有效降解為二氧化碳（ＣＯ２ ）、水（Ｈ２ Ｏ）、無機(jī)酸
等，隨雨水沖走，從而達(dá)到凈化空氣的目的。目前國內(nèi)
外已有許多學(xué)者對(duì)ＴｉＯ２ 的光催化空氣凈化功能做了
探究。Ｈüｓｋｅｎ Ｇ 等［１１］ 人對(duì)歐洲的幾種代表性光催化
材料的ＮＯｘ 的光催化效果進(jìn)行了測評(píng)。試驗(yàn)結(jié)果顯
示：這些光催化產(chǎn)品的平靜降解率約為４０％，入射光
波長范圍、相對(duì)濕度、污染物濃度和流速、光催化材料
表面粗糙程度、ＴｉＯ２ 粉末分布情況等因素都對(duì)光催化
效果有一定影響。并且進(jìn)一步指出應(yīng)建立適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)
模型作為研究影響因素和進(jìn)行室外測試的基礎(chǔ)。宋瑞
金［１２］ 等在采用納米級(jí)ＴｉＯ２ 光催化涂料對(duì)空氣污染物
凈化的試驗(yàn)中顯示，在紫外燈照射３０ ｍｉｎ 后，ＳＯ２ 的濃
６ 萬方數(shù)據(jù)
劉紹彥，等：光催化材料及其在大壩混凝土中的應(yīng)用展望２０１８ 年７ 月
度衰減率達(dá)９７％；在紫外燈照射１４ ｍｉｎ 后，ＮＯ２ 的濃
度衰減率為９０％。同時(shí)，該光催化涂料還可有效去除
空氣中的甲醛（ＨＣＨＯ），其去除率達(dá)到６９％。李慧
芳［１３］ 采用溶膠－凝膠法制備摻雜二氧化鈦光催化劑，
并研究了其對(duì)ＨＣＨＯ 的降解性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在
０．４６３，０．５８１，０．８８２ 和１．０２８ ｍｇ／ｍ３ ４ 種不同初始濃
度下，ＨＣＨＯ 的降解率均在８０％左右。王軍［１４］ 等在對(duì)
納米ＴｉＯ２ 改性內(nèi)墻涂料的試驗(yàn)中顯示當(dāng)涂料中ＴｉＯ２
的含量為２％時(shí)，其ＨＣＨＯ 降解效率最高。
張洋［１５］ 以高鋁酸鹽為載體，以自制的納米ＴｉＯ２
為主體，將二者以８∶２ 比例制成光催化復(fù)合材料，進(jìn)行
光催化性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示，該復(fù)合材料對(duì)氨氣
（ＮＨ３ ）和ＨＣＨＯ 都有很好的吸附降解性能。錢春
香［１６］ 等采用硬化混凝土外部滲透方法，通過在混凝土
養(yǎng)護(hù)過程中向其表面噴灑納米ＴｉＯ２ 水性溶液的方式
制成光催化混凝土。試驗(yàn)結(jié)果顯示：ＮＯ２ 氣體的光催
化效率隨濕度增加而急劇下降； 當(dāng)ＴｉＯ２ 濃度≤
０．５ ｍｇ／ｍ３ 時(shí)，光輻射強(qiáng)度對(duì)光催化效率影響不大，當(dāng)
ＮＯ２ 濃度≥２．０ ｍｇ／ｍ３ 時(shí)，光催化效率隨光照強(qiáng)度的
增加而增加；且在自然光或室內(nèi)較弱紫外光照下都具
有良好的光催化性能；溫度在０℃ ～２５℃時(shí)，光催化效
率隨溫度升高而升高，溫度達(dá)到２５℃ ～６０℃時(shí)隨溫度
變化不明顯。關(guān)強(qiáng)［１７］ 等優(yōu)化了納米ＴｉＯ２ 光催化混凝
土的配比方案，并進(jìn)行了模擬道路路面ＴｉＯ２ 材料對(duì)
ＮＯ２ 凈化效果的分析。該試驗(yàn)通過在混凝土表面噴涂
納米ＴｉＯ２ 的方法制成光催化混凝土。結(jié)果顯示：在自
然狀態(tài)下，納米ＴｉＯ２ 的最佳添加量為５％，十二烷基苯
磺酸鈉表面活性劑的最佳用量為３％；當(dāng)表面打磨
２ ｍｍ 厚度后，仍有光催化效果。
2．2 除菌
除菌作用一方面是指抑制細(xì)菌生長的抑菌作用，
另一方面是指殺死微生物營養(yǎng)體和繁殖體的殺菌作
用。ＴｉＯ２ 光催化劑對(duì)大腸桿菌、金色葡萄球菌、綠膿
桿菌、沙門氏菌等有抑制和滅殺的作用。當(dāng)細(xì)菌吸附
在涂有ＴｉＯ２ 光催化劑的材料表面時(shí)，ＴｉＯ２ 受光催化激
發(fā)產(chǎn)生的空穴和電子進(jìn)一步反應(yīng)生成了超氧離子自由
基和羥基自由基，并穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁、破壞細(xì)胞膜
質(zhì)、進(jìn)入菌體內(nèi)部，進(jìn)一步阻止成膜物質(zhì)的傳輸、阻斷
呼吸系統(tǒng)的運(yùn)行和電子傳輸系統(tǒng)正常運(yùn)行，因而有效
地消滅細(xì)菌，同時(shí)抑制了細(xì)菌分解產(chǎn)生的臭味物質(zhì)，如
硫化氫（Ｈ２ Ｓ）、氨氣（ＮＨ３ ）、硫醇等。且當(dāng)光照結(jié)束后
一段時(shí)間內(nèi)，光催化除菌作用依然有效。１９８５ 年
Ｍａｔｓｕｎａｇａ 等［１８］ 首次將ＴｉＯ２ 光催化作用運(yùn)用于對(duì)細(xì)菌
滅殺方面。之后，越來越多的學(xué)者進(jìn)行了ＴｉＯ２ 光催化
劑在除菌方面應(yīng)用的研究，包括細(xì)菌、真菌、病毒、藻
類、原生動(dòng)物等。
Ｓｕｎａｄａ［１９］ 等人觀察到，ＴｉＯ２ 表面的光催化作用不
僅可以殺死細(xì)菌，還可以分解細(xì)菌的有毒成分。如果
紫外線光照持續(xù)時(shí)間足夠長，那么這些細(xì)菌就會(huì)被完
全分解成二氧化碳（ＣＯ２ ）、水（Ｈ２ Ｏ）和其他礦物物質(zhì)。
曾熾濤［２０］ 等人研究了ＴｉＯ２ 光催化劑對(duì)大腸桿菌的殺
菌作用。試驗(yàn)用紫外燈照射涂有ＴｉＯ２ 光催化劑的彈
簧狀玻璃載體上。結(jié)果顯示，當(dāng)光照時(shí)間＜１５ ｍｉｎ 時(shí)，
光催化滅菌速度較慢，與純紫外燈殺菌速度相近；當(dāng)光
照時(shí)間≥１５ ｍｉｎ 時(shí)，光催化殺菌速度明顯加快，直至大
腸桿菌全部被殺死。肖剛［２１］ 設(shè)計(jì)制備了殼聚糖／ＴｉＯ２
生物親和復(fù)合光催化抗菌介質(zhì)，然后分別進(jìn)行Ｆｅ３ ＋滲
雜和納米銀改性，并由此獲得了殼聚糖／Ｆｅ －ＴｉＯ２ 抗
菌涂層和殼聚糖／ＴｉＯ２ ／ＡｇＮＰｓ 生物親和復(fù)合介質(zhì)兩種
可見光響應(yīng)生物親和復(fù)合光催化抗菌介質(zhì)。在可見光
作用下，兩種材料對(duì)細(xì)菌、真菌、霉菌均有良好的抗菌
效果。
2．3 防霧和自清潔
ＴｉＯ２ 的光致超親水性有著十分廣泛的應(yīng)用，最典
型的例子是光催化防護(hù)材料和自清潔建筑材料。一方
面，由于ＴｉＯ２ 薄膜的超親水性，當(dāng)水附著在其表面時(shí)，
不再是以水滴的形態(tài)，而是在其表面形成一層水膜。
與水滴不同，水膜不會(huì)造成光的散射，從而有效起到了
防霧的作用［２２］ 。ＴｉＯ２ 的防霧性能被廣泛應(yīng)用于防霧
鏡和防霧玻璃的制作。另一方面，相比于其他物質(zhì)，
ＴｉＯ２ 薄膜與水的親和性最好，因此當(dāng)包括油脂在內(nèi)的
其他物質(zhì)附著在其表面時(shí)，很容易用水沖洗去除。因
此，該特性常常被應(yīng)用于建筑外墻和自清潔玻璃的制
作。特別是對(duì)于臨近道路的建筑，由于汽車尾氣中含
有油性成分，其外墻及玻璃幕墻很容易粘附油性物質(zhì)
而難以清洗。而ＴｉＯ２ 自清潔材料正好可有效地解決
這一問題。
國內(nèi)外已有許多專家學(xué)者對(duì)ＴｉＯ２ 材料防霧性和
自清潔性進(jìn)行了研究，并且在許多國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)
業(yè)化。Ｅｕｖａｎａｎｏｎｔ［２３］ 等人采用將溶膠－凝膠前驅(qū)體沉
積在玻璃表面的方法制成光催化玻璃，由于ＴｉＯ２ 的光
致親水性和光催化氧化效應(yīng)，玻璃具有良好的自清潔
功能。馬銘［２４］ 等人采用噴霧熱解法制備ＴｉＯ２ 薄膜，
試驗(yàn)中大部分樣品呈現(xiàn)很好的親水性。當(dāng)前驅(qū)體流量
７ 萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源２０１８ 年第７ 期
為５ ｍＬ／ｍｉｎ、氣壓為０．２０ ＭＰａ、基板溫度為５５０℃、保
溫１０ ｍｉｎ 條件下超親水性能最佳。孫喜蓮［２５］ 采用溶
膠－凝膠法制備了聚乙二醇（ＰＥＧ２０００）改性ＴｉＯ２ 薄
膜，且隨著ＰＥＧ２０００ 添加量的增加，薄膜孔徑和孔隙
率都增大，薄膜的透射率增大，光催化活性和親水性能
均得以提高。Ｙａｎｆｅｎｇ Ｃｈｅｎ［２６］ 等通過溶膠凝膠法在透
明玻璃板表面制備了相分離的多孔ＺｎＯ／ＴｉＯ２ 復(fù)合薄
膜。試驗(yàn)結(jié)果顯示，ＺｎＯ 的添加增強(qiáng)了ＴｉＯ２ 薄膜的超
親水性。日本率先將光催化自清潔玻璃投入生產(chǎn)，現(xiàn)
已得到充分發(fā)展。如日本ＴＯＴＯ 公司［２７］ 于１９９４ 年生
產(chǎn)出具有光催化性能的涂料，將其噴涂于玻璃表面，制
成了光催化玻璃具有自清潔功能。英國皮爾金頓玻璃
公司成功創(chuàng)建了光催化自清潔玻璃品牌“Ｐｉｌｋｉｎｇｔｏｎ
Ａｃｔｉｖ”，并將其推廣到歐美市場。隨后，法國、美國也
相繼推出了自清潔玻璃品牌。
３ 大壩混凝土的特點(diǎn)
相比于城市清水混凝土，大壩混凝土在外觀、材
料、工作條件方面都有較大的差別。
１）就大壩混凝土材料本身而言，由于大壩體積巨
大，為了減小溫度應(yīng)力和方便施工，常在不同部位使用
不同種類、等級(jí)、配合比、齡期的混凝土。因此大壩各
部位混凝土不同，不同時(shí)期澆筑的混凝土質(zhì)量也不盡
相同。同時(shí)在施工過程中，模板表面不平整、模板拼接
處有縫隙等問題，使得大壩混凝土表面遠(yuǎn)不如城市清
水混凝土平整精致。且由于大壩外表面積大，高差達(dá)
上百米，保護(hù)施工和清洗維護(hù)工作難以進(jìn)行。
２）就大壩所處環(huán)境而言：一方面由于水利工程的
特殊性，大壩選址一般在偏遠(yuǎn)山區(qū)河谷，外部環(huán)境較城
市要惡劣得多，大壩長期受陽光照射、雨雪及風(fēng)浪沖
刷，外部環(huán)境嚴(yán)酷；另一方面，大壩建成后長期擋水，由
于混凝土為非均質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，在上下游水頭差的作用
下，其內(nèi)部存在運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的滲流場，濕度較大。再
加上陽光照射、溫度變化、汛期泄洪等使河道水分蒸發(fā)
霧化，進(jìn)一步增加大了大壩濕度。潮濕的環(huán)境給了一
些低等生物尤其是苔蘚植物良好的生長環(huán)境。苔蘚植
物在大壩表面繁殖、生長、死亡會(huì)使得其表面發(fā)黃發(fā)
黑，大大影響了大壩表面的耐候性和美觀性。
當(dāng)今越來越重視人與自然和諧問題，大壩也不再
局限于滿足興利除害、蓄能發(fā)電即可。大壩越來越多
的與自然景色相結(jié)合，形成大壩風(fēng)景區(qū)，這對(duì)大壩的美
觀性有了更多的要求。對(duì)大壩混凝土保護(hù)材料的現(xiàn)有
研究雖然已涉及了開裂、碳化、耐久性、耐候性等問題，
并取得一定成果，但對(duì)于大壩混凝土表面的防污美觀
問題，還沒有合適的解決方法。
４ 光催化材料應(yīng)用于大壩混凝土防護(hù)
的展望
考慮到ＴｉＯ２ 光催化材料的光催化氧化性和光致
親水性，如果將光催化涂料應(yīng)用到大壩表面混凝土的
防護(hù)上，可解決面臨的問題。一方面，利用ＴｉＯ２ 的光
催化氧化性，可使大壩表面混凝土具有除菌、降解水中
有機(jī)物的功能，從而減少大壩表面苔蘚等低等生物的
生長；另一方面，利用其超親水性，可達(dá)到自清潔的效
果，從而減少大壩清洗周期，降低維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)光催
化材料還能隔離紫外線，有效防止混凝土材料老化，提
高其耐候性。光催化材料已大量運(yùn)用于城市建材中，
而在水利行業(yè)仍處于試驗(yàn)階段。目前，國內(nèi)已經(jīng)開展
了相關(guān)試驗(yàn)，并取得一定的成果。國家大壩安全技術(shù)
研究中心［２８］ 就光催化材料在大壩表面混凝土保護(hù)上
的應(yīng)用作了研究，并在湖北陸山水庫３ 號(hào)混凝土大壩
進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)中先對(duì)混凝土表面預(yù)處理，并
在其表面涂覆密封固化劑使其封閉，最后涂覆改良后
的光催化ＴｉＯ２ 涂料，形成了配套施工工藝。試驗(yàn)結(jié)果
表明：大壩混凝土光催化自潔凈保護(hù)材料具有施工簡
單、自潔凈效果持久、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。介于大壩混凝
土的特殊性，若將光催化材料運(yùn)用到大壩混凝土防護(hù)
上，以下問題仍需進(jìn)一步探究。
１）涂料的涂覆工藝問題。大壩表面遠(yuǎn)比城市清
水混凝土粗糙，且在上下游水位差作用下，大壩內(nèi)部存
在滲流場，下游壩面會(huì)有水滲漏，這都給光催化劑的涂
覆施工增加難度，同時(shí)極大降低光催化的效果。因此
對(duì)混凝土的預(yù)處理方法，光催化劑的涂覆方式、涂覆量
等方面還要做進(jìn)一步的探究，從而形成配套的施工工
藝和施工規(guī)范。
２）涂料耐久性問題?，F(xiàn)有的光催化涂料主要應(yīng)
用于城市建筑外墻、內(nèi)墻、鏡子、玻璃、燈罩等方面，這
些事物處于城市街道旁或是室內(nèi)等比較溫和的外界環(huán)
境中，對(duì)涂料耐候性要求不高。相比之下大壩所處環(huán)
境十分惡劣，其表面材料長期受到水流沖刷、干濕循
環(huán)、溫度變化等作用，若直接將現(xiàn)有的光催化材料應(yīng)用
在大壩混凝土的表面，那么隨時(shí)間推移必然會(huì)存在老
化剝離的問題。因此，如何提高涂料耐候性，使其適應(yīng)
戶外惡劣環(huán)境，還需要進(jìn)一步的研究。
８ 萬方數(shù)據(jù)
劉紹彥，等：光催化材料及其在大壩混凝土中的應(yīng)用展望２０１８ 年７ 月
３）涂料改性問題。光催化反應(yīng)可利用光源為紫
外光，若直接在可見光環(huán)境下使用，其光催化性能不能
得到充分利用。另外，由于大壩體積大，大壩不同部位
受光照時(shí)長也不同，需要對(duì)現(xiàn)有光催化涂料進(jìn)行改性，
提高其光敏程度和持續(xù)作用時(shí)間。現(xiàn)已有學(xué)者對(duì)
ＴｉＯ２ 可見光催化進(jìn)行了研究并取得了一定成果。王
澤巖［２９］ 等首次將鹵化銀材料應(yīng)用于光催化領(lǐng)域，利用
離子交換和光還原法制備出等離子體光催化材料。該
材料在整個(gè)可見光區(qū)域表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光吸收性能，和
光催化性能，極大提高了光催化效率。但由于大壩混
凝土的特殊性和施工的局限性，現(xiàn)有的可見光催化劑
是否適用于大壩混凝土、充分發(fā)揮光催化效果仍需要
進(jìn)一步的研究。
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