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隧道内降解NO的蓄光辅助光催化复合材料设计及协同机制研究
| 论文题名： | 隧道内降解NO的蓄光辅助光催化复合材料设计及协同机制研究 |
| 关键词： | 公路隧道;一氧化氮;蓄光辅助;光催化剂;协同机制 |
| 摘要： | 公路隧道作为人类利用地下空间的一种重要形式，在缩短运行距离、优化交通路径、提高运输能力等方面发挥着积极推进作用，但其封闭的空间结构导致过往机动车排放的尾气污染物容易滞留在隧道内部、难以有效排出，从而空气污染问题更为突出，严重时甚至会影响驾乘人员的身体健康和行车安全。目前国内外主要从增设通风竖井、射流风机和空气净化装置等方面减缓隧道内空气污染，然而这不仅增大了隧道结构复杂性、加剧了施工难度，而且后期维护和更换设施不方便、所耗能源和投资运营费用巨大，不能满足节能环保的要求。 本文依托国家自然科学基金面上项目《隧道内降解NOX的g-C3N4/长余辉复合光催化材料设计及协同机制研究》，基于光催化净化污染物技术和长余辉材料的蓄能-发光特性，设计蓝色多孔Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+长余辉材料为功能载体，负载石墨型氮化碳（g-C3N4）光催化剂，制备一种亮暗态下持续催化去除污染物的蓄光辅助光催化复合材料。首次定义了累积污染物降解浓度SC等系列指标以准确描述材料在亮暗态下综合去除污染物的效果。结合微观表征手段和分子模拟计算揭示了单组分g-C3N4与Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+之间的相互作用机制，从原子和分子层面探讨了复合材料宏观性能变化的原因。受荷叶的自清洁特性启发，以自制低表面能含氟丙烯酸酯乳液为基料，添加蓄光辅助光催化复合材料为功能填料，制备出疏水疏油性能良好的蓄能光催化自清洁涂料并进行性能评价。设计自清洁试验研究油污在光照条件下随时间延长对涂层试件表面润湿行为的影响；考察了紫外老化同光催化作用下涂层的耐久性能。最后将该蓄能光催化涂料涂覆于隧道试验段内，评价了净化一氧化氮（NO）污染物的实际应用效果。本文旨在寻求一种节能环保方式净化隧道内空气质量，同时改善光催化涂层的功能耐久性和清洁便利性以助力环保新技术的应用推广。具体研究内容如下： （1）采用溶胶凝胶法制备常规块体形貌的Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+（简记为SMSO:(Eu,Dy)）蓝色长余辉发光材料，以结晶纯度和余辉初始亮度为衡量指标，通过单因素试验和正交设计确定了SMSO:(Eu,Dy)的最佳制备条件。为进一步提高余辉亮度及方便负载光催化剂，引入SiO2气凝胶代替部分硅源制备出具有多孔形貌的SMSO:(Eu,Dy)长余辉材料。采用压汞实验分析SMSO:(Eu,Dy)中孔隙分布特征；并考察了不同气凝胶掺量对多孔SMSO:(Eu,Dy)发光强度和余辉性能的影响。 （2）通过热解聚合方法将g-C3N4光催化剂负载于多孔SMSO:(Eu,Dy)发光材料上获得CN/SMSO:(Eu,Dy)蓄光辅助光催化复合材料，探索其在亮暗态下持续去除NO污染物的可行性。以自定义的累积污染物降解浓度SC为催化性能评价指标，amp;nbsp;定量描述了材料在光照及暗态下的NO去除效果，验证了该指标的合理性。此外，从键合状态、形貌特征、光学性质、余辉性能及光电化学性质等方面探索了单组分的复合方式及复合前后性能变化特征，阐释了CN/SMSO:(Eu,Dy)复合材料催化去除NO作用机理。 （3）采用MaterialsStudio软件中量子力学模块CASTEP构建了单组分g-C3N4、SMSO:(Eu,Dy)及复合材料的分子模型并进行第一性原理计算。通过逐步优化构建SMSO基质模型、SMSO:(Eu)单掺杂模型和SMSO:(Eu,Dy)共掺杂模型，分析对比电子性能，从原子层面为SMSO:(Eu,Dy)的余辉发光机理提供佐证。切出合适的g-C3N4、SMSO:(Eu,Dy)表面模型用于构建CN/SMSO:(Eu,Dy)界面结构，考察界面结构稳定性以判断所建模型的合理性。从电子态密度、能带结构、差分电荷密度、布局分析和功函数等方面讨论界面结构中电子、空穴的跃迁难易程度和转移路径，进而揭示g-C3N4和SMSO:(Eu,Dy)之间的协同作用机制。 （4）为改善光催化材料在应用时耐久性差等问题，本文合成了疏水疏油性能良好的低表面能含氟乳液，并以此为基料，添加CN/SMSO:(Eu,Dy)复合材料与其他填料、助剂等制备出去污型蓄能光催化自清洁涂料。依据NO去除效果和涂层表面润湿性确定了涂料中CN/SMSO:(Eu,Dy)的最佳掺量，参照外墙乳胶漆的规范标准评价了该涂料的常规性能。此外，以甘油为污染物设计自清洁试验，研究催化作用下油污对涂层表面的润湿行为影响。从涂膜成分、微观形貌及老化后的试件外观等级方面考察了紫外老化同光催化作用下涂层的耐久性能。最后将自制蓄能光催化自清洁涂料涂刷至重庆交通科研设计院有限公司的实体隧道侧壁上，统计分析结果显示光照期间约12.7%的NO被有效去除且关闭光源后涂层仍发挥着持续净化NO的作用。 |
| 作者： | 杨晓宇 |
| 专业： | 交通运输工程;道路与铁道工程 |
| 导师： | 唐伯明;曹雪娟 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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