石墨烯基纳米添加剂在水泥砂浆中的抗生物污染性能

生物污染是立面元素中一种病态表现，它会损害建筑的美学，损害建筑围护结构的完整性和耐久性。在水泥基质中使用石墨烯家族材料(GFMs -石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯)的研究已经开展，表明石墨烯可以改善水泥复合材料的力学性能。就目前观察到的情况来看，还没有针对石墨烯在水泥材料中的自清洁研究。为了结合不同的性能，如机械强度、可加工性和自清洁性，我们研究了纳米碳家族作为建筑行业多功能材料的潜力。其他纳米材料，如氧化钛、氧化锌和纳米银已经被用于自清洁。对于银纳米粒子，成本可能是一个障碍，而TiO2和ZnO需要应用于光暴露环境中进行光催化。然而，建筑中的一些生物污染问题发生在缺乏光或低入射光的情况下，这表明需要新的材料和多功能。因此，这可以通过将光催化剂与纳米碳家族的材料结合来实现。本文研究了石墨烯和基于CdS的纳米添加剂作为砂浆的自清洁替代品。采用两种方法来分析这些特性:1)生物膜降解和微藻加速生长法;2)亚甲基蓝的光降解。在加速微藻定植试验结束时，石墨烯的最佳结果显示微藻覆盖率仅为2.5%，而对照样品的表面定植率为87.0%。结果表明，石墨烯纳米添加剂在砂浆中抑制微藻生长方面具有优异的效果，通过光催化以外的机制起作用，即使在没有光照的情况下也表现出效率。此外，CdS/石墨烯基纳米添加剂表现出协同效应。在亚甲蓝降解测试中，与仅含有CdS纳米添加剂的砂浆相比，光催化反应更好。

图1. 微藻生物膜降解试验一周期

图2. 微藻生长加速试验流程图

图3. a)第一个微藻降解循环。第二个藻类降解循环:b)用海绵清洗后;C)用棉花清洗后。在微藻浓度为2 g/L的条件下进行第二个循环

图4. 像素数与灰度的直方图:时间0、时间24、时间48、时间72(分别为红、蓝、黄、绿曲线)，微藻浓度为2.6 g/L a) CD, b) R, c) RCS d) RG, e) RCGA, f) RCGB。湿棉清洗条件。

图5. 在8周的测试中，砂浆的微藻覆盖率百分比演变。不含纳米添加剂的CD参比;R-砂浆商业参考;添加添加剂- RG1的砂浆(0.3%wt);RG2 (0.21% wt);RG3 wt (0.12%);RG4 wt(0.03%)。

图6. 接缝砂浆在8周试验期间生物结垢演变的图像分析。

图7. a) RG砂浆光催化降解亚甲基蓝的In (C/C0)线性图;b)由式(2)生成的所有砂浆亚甲基蓝降解效率图

图8. (a - d)纳米添加剂的TEM图像: a) CS; b) G; c) CGA; d) CGB。

相关研究成果由巴西塞尔希培联邦大学科学与材料工程系Isis Nayra Rolemberg Prudente等人于2023年发表在Journal of Building Engineering (
https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.106837)上。

来源：石墨烯研究