纳米光催化剂改性水泥基材料的研究进展*

王天雷,奉雨晴,向星宇,闫玉欣,张 磊,荣 辉

(1.天津城建大学 材料科学与工程学院,天津 300384;2.天津城建大学 天津市建筑绿色功能材料重点实验室,天津 300384)

0 引 言

水泥基材料具有抗压强度高、耐久性能好、生产方式便捷、生产成本低的优点,被广泛应用于房屋修建、桥梁搭建、道路铺建等建设工程[1]。但硬化后的水泥基材料具有非均质多孔的微观结构,其内部存在形态各异、尺寸不一的孔隙及微裂缝,为外界化学腐蚀物质的进入提供了便捷的“绿色通道”。由于建筑物服役环境的复杂多样性,水泥基材料难免会受到污染物、微生物以及硫酸盐、氯盐、CO2等物质的腐蚀,使得水泥基材料耐久性能发生劣化,进而影响其结构的安全稳定性,缩短其服役寿命[2]。因此,如何提升水泥基材料耐久性、延长以水泥基材料为主要材料建筑物的使用寿命成为近年来的研究热点。

1 光催化水泥基材料的制备方法

依据光催化剂在水泥基材料中应用方式的不同,可将光催化水泥基材料的制备方法分为以下3种。

1.1 直接掺入法

直接掺入法是通过机械搅拌等方式将光催化剂与胶凝材料均匀混合后,制备具有光催化功能的水泥基材料。光催化剂多为纳米级颗粒,将其掺入水泥基材料能够优化内部孔隙结构,改善密实度,提高力学性能,减少外界有害侵蚀组分进入,展现出良好的“微骨料效应”,从而实现水泥基材料耐久性能提升。掺杂纳米TiO2制备的改性水泥基混凝土复合材料能够改善基体致密性,使其表现出更优异的抗压、抗折性能,从而提升水泥基材料的综合性能[11]。同时,纳米光催化剂的加入能够降解附着在水泥基材料外部的污染物,实现建筑物表面的自清洁[12-13]。研究发现,在白炽灯照射下,Fe3+掺杂纳米TiO2改性光催化混凝土(5 %(质量分数))的NO降解率约为70%。同时,相较于基准混凝土,其抗压强度提高了7%～15%,抗拉强度提高了12%～20%,具有巨大的应用潜力[14]。Strini 等[15]发现采用直接掺入法获得的纳米TiO2水泥净浆试块对苯、甲苯、乙苯和邻二甲苯混合物的降解效率随光照强度的提高而逐渐增加。在1 350 μW/cm2的辐射强度下,其对邻二甲苯降解效率最高(1.75 m/h)。同时,随着纳米TiO2掺量的增加,其降解效率呈先增加后减小的趋势,这是由于过高掺量的纳米TiO2在胶凝材料中容易聚集,形成催化剂簇,从而影响其光催化降解率。Wang等[16]发现将低浓度TiO2水溶胶掺入水泥浆体时,TiO2表面缺陷的数量增加,使得其带隙变窄,光催化性能提升;同时,水泥水化产物具有良好的表面电子捕获能力,从而降低电子-空穴复合几率,进而提升其自清洁性能(图1(a),(b))。

图1 (a) TiO2水溶胶改性光催化水泥浆料自洁机理示意图[16] ;(b) 不同浓度TiO2对水泥浆体表面罗丹明B颜色变化率的影响[16];(c) TiO2水溶胶涂层对混凝土表面罗丹明B颜色变化率的影响[20]Fig.1 (a) Schematic diagram of self-cleaning mechanism of TiO2 hydrosol modified photocatalytic cement paste[16];(b) effect of different concentrations of TiO2 on the color change rate of rhodamine B on cement slurry surface[16];(c) effect of TiO2 hydrosol coating on the color change rate of rhodamine B on concrete surface[ 20]

1.2 表面涂覆法

1.3 骨料负载法

骨料负载法是指将光催化剂经物理或化学方法包裹于骨料表面,随后将骨料应用于光催化水泥基材料制作。该方法在实现光催化剂减量化的同时,提高了光催化剂在基体材料的分散性,限制了其内部电子-空穴间的复合,从而提升其光催化效率[9]。Jiang等[22]制备了纳米TiO2水溶胶包覆砂增强水泥砂浆,并详细对比了骨料负载法与直接掺入法的优劣。结果表明：与直接掺入法制备的TiO2水泥砂浆相比,采用骨料负载法制备的TiO2@Sand增强水泥砂浆界面过渡区(ITZ)模量提高了22%,厚度减少了25%,试块的总孔隙率下降了28%,抗压强度提高了37%。这是由于骨料表面的TiO2能够影响水泥的水化过程,从而提升水泥浆体与骨料间的ITZ致密程度,减少骨料附近界面处缺陷,提升光催化混凝土的力学性能。同时,由于光催化剂分散性增加,电子-空穴复合几率降低,骨料负载法制备的TiO2水泥砂浆试块比直接掺入法制备的试块对罗丹明B和NO的降解效率分别提升了40%和25%。

2 光催化水泥基材料的种类

光催化剂水泥基材料的性能不仅受光催化剂引入方式(直接掺入法、表面涂覆法、骨料负载法)的影响,也会随光催化剂本身的物化性质及其对环境适用性等方面变化而变化。因此,光催化剂结构的合理设计、性质的定向调控是光催化水泥基材料制备的关键所在。通过合适的光催化剂选择,赋予水泥基材料高效光催化降解功效,完善水泥基材料表面自清洁功能,从而推进光催化水泥基材料的工业化应用进程。

2.1 TiO2改性光催化水泥基材料

TiO2具有良好的化学稳定性、高效的光催化效率及丰富的原料来源等特点,被广泛应用于空气净化、微生物灭杀、有机物降解等众多领域。将TiO2溶胶涂覆在玻璃纤维以增强水泥基材料表面,在紫外光照射24 h后可将罗丹明B完全降解,将其反复被冲刷10次依然保持良好的光催化降解能力[23]。利用分层法将掺有TiO2的面层砂浆浇注在基层砂浆上,在200 W紫外光或日光照射下,其对罗丹明B的光催化降解率均在95%左右[24]。通过对比纳米TiO2改性水泥净浆、砂浆、普通混凝土以及透水混凝土发现,纳米TiO2改性透水混凝土在120 min内甲基橙(MO)的吸附性能和降解性能分别为6.3%和42.8%,远高于其他三类改性混凝土对甲基橙的吸附率(0.5%～2%)和降解率(18%～20%)。这是由于TiO2的加入提高了透水混凝土的孔隙率,赋予其吸附污水中悬浮颗粒的能力[25]。将C-S-H凝胶与TiO2纳米颗粒复合制备粗糙度在3.5～11 nm的涂层,并将其应用于混凝土表面,其在150 min内可降解约9.5%的亚甲基蓝(MB),且其表面污染物更容易被雨水冲刷掉[26]。此外,采用直接掺入法或表面涂覆法制备TiO2光催化混凝土,对氮氧化物(NOx)的去除率均可达80%[27-28]。在紫外光照射60 min后,采用经六偏磷酸钠分散处理的纳米TiO2改性光催化环保型透水混凝土对NOx、碳氢化合物(HC)降解效率分别约为59%、26%,而未掺有分散剂的样品对NOx、HC的降解率仅有41%、16%。这是由于分散剂六偏磷酸钠的引入,使得纳米TiO2分子表面性质发生变化,从而提高其悬浮液的稳定性,使得光催化活性位点裸露程度增加(图2)[29]。Moro等[30]发现在CO2固化与矿渣的协同作用下,纳米TiO2水泥基复合材料的自清洁效率得到明显改善。但对纳米TiO2改性白色波特兰水泥、灰色商业水泥及粉煤灰进行3 d湿固化和28 d的碳化(CO2固化)处理后发现,经碳化处理后的样品对NOx的降解能力明显下降。这是因为湿固化处理加速基体的碳化,从而降低样品反射率,进而对光催化性能产生了影响[31]。此外,Zhang等[17]发现纳米TiO2光催化透水混凝土对道路径流中主要污染物氨氮(NH3-N)、化学需氧量(COD)和总磷(TP)的去除率分别可达40%、50%和60%,成为实现道路径流污染净化的新措施。

图2 (a) 未经分散的纳米TiO2形貌;(b) 添加分散剂的纳米TiO2形貌;(c) 分散剂用量对碳氢化物光催化降解的影响;(d) 分散剂用量对NOx光催化降解的影响[29]Fig.2 (a) Undispersed nano-TiO2 morphology;(b) nano-TiO2 morphology with dispersant added;(c) effect of dispersant dosage on photocatalytic degradation of hydrocarbons;(d) effect of dispersant dosage on photocatalytic degradation of

但TiO2的禁带较宽,只能在紫外光辐射下被激发,对太阳光的利用率极低,且其电子-空穴极易发生复合[32]。将CdS、Ag、石墨烯等与TiO2纳米颗粒进行复合,能够降低禁带宽度,提升可见光区利用效率,实现光催化性能的提升[33-35]。此外,将TiO2进行离子掺杂,能够优化其能带结构,为光催化反应提供更多活性位点,从而提高光催化效率。利用掺杂Fe3+二氧化钛对普通混凝土和多孔混凝土进行改性,改性后的光催化性能明显优于改性前混凝土,且多孔混凝土表现出更优的光催化降解率,同时改性后混凝土抗压强度也得到明显提升(图3)[13]。郭燕飞等[36]发现C,N-TiO2改性混凝土对敌百虫的降解率可达16.4%,远高于TiO2改性混凝土的降解率(2.3%)。

图3 (a) Fe3+改性前后TiO2掺量对多孔混凝土抗压强度的影响;(b) Fe3+改性前后普通混凝土和多孔混凝土光催化降解速率[13]Fig.3 (a) Effect of TiO2 content on compressive strength of porous concrete before and after Fe3+ modification;(b) photocatalytic degradation rate of ordinary concrete and porous concrete before and after Fe3+ modification[13]

同时,纳米TiO2在使用过程中极易出现团聚现象,其在基体表面分散不均匀且粘附性较差。将纳米TiO2进行表面包覆SiO2可提高其分散性,增加其与基体的界面结合能力[37-38]。利用TiO2表面包覆SiO2制备的混凝土在60 min内可降解95%亚甲基蓝,且在104 h后的烟尘去除率依旧可达49%;而未包覆SiO2的TiO2改性光催化混凝土对亚甲基蓝和烟尘的降解率分别是50%和35%[39]。将制备的TiO2@SiO2核壳纳米材料用于硬化水泥砂浆表面处理,发现利用TiO2@SiO2制备的水泥砂浆试块对罗丹明B的降解效果优于只喷涂TiO2溶液进行表面处理的试块。同时,前者表现出更低的吸水率,具备更优的水泥基材料表层耐久性改善潜能[40]。Luna等[41]利用TiO2纳米片经NaOH进行表面去氟化处理后包覆SiO2成功制备了TiO2-SiO2光催化剂,表现出良好的NOx去除率及稳定性。

此外,合适的负载材料能够提高光催化剂与污染物的接触面积,抑制光催化剂电子跃迁过程中的电子-空穴复合几率,从而提升光催化效率。研究发现,将TiO2催化剂分散于石英砂,不仅能够增强光催化剂的稳定性,同时二者之间形成的Si-O-Ti键能够提高催化剂与混凝土表面粘结性能[42-43]。将城市建筑废弃物制成再生集料,如：再生粘土砖砂、再生玻璃砂和再生细集料作为载体来支撑纳米TiO2制备光催化水泥砂浆,对空气污染物二氧化硫表现出良好的降解能力[44]。将TiO2颗粒分散于沸石,有助于TiO2颗粒的均匀分散,增加光反应面积,从而提高材料的光催化降解效率[45]。Saeli等[46]以鳕鱼骨废料制备的羟基磷灰石基粉末(HAp)为载体分散TiO2,并将其涂覆于混凝土表面,发现NOx降解率约为23.8%。

光催化剂在水泥基材料领域不仅限于污染物降解、空气净化等领域的应用,还可应用于裂缝修复。选用聚乙烯与TiO2光催化剂混合为外壁,将NaHCO3、Ca(OH)2和柠檬酸等修复材料加入内部形成自修复胶囊。在光照条件下,TiO2能够破坏聚乙烯使得内部修复剂泄露从而实现混凝土裂缝的修复,通过透水性检测发现愈合效率最高可达52%,充分证实利用光催化降解技术完成自修复胶囊破坏的可行性[47]。

2.2 g-C3N4改性光催化水泥基材料

作为典型的二维层状材料,g-C3N4除了具有制备工艺简单、原料廉价、化学稳定性和热稳定性优异等优点,还具有合适的电子能带结构及禁带宽度(2.71 eV)、载流子快速分离、可见光响应范围宽等特点,在光催化剂中占有重要地位[5,48]。贺晓宇[49]制备了硼(B)掺杂g-C3N4改性混凝土,发现经B掺杂g-C3N4改性混凝土的光催化降解效果明显优于未掺杂B的g-C3N4改性混凝土。Zhou等[50]利用废弃三聚氰胺和NaCl作为原料成功制备了Na-g-C3N4,将其涂覆于混凝土表面,其石油烃的降解率在50%左右,在石油废水处理领域展现出巨大的优势。同样,在适宜条件下,K-g-C3N4改性光催化混凝土对亚甲基蓝的降解在0.5 h内即可达到80%[51]。

由于范德华力作用,g-C3N4极易发生团聚及层板堆叠现象,严重影响了其光催化活性。张瑜都等[52]尝试将少层 g-C3N4掺入混凝土,发现其在5 min后的NO降解率可达80%。在强紫外线照射24 h后,其降解率仍保持在75%以上,具有优异的光降解效率及稳定性。此外,将C3N4预分散后涂覆于混凝土表面的NO光催化降解效率可达60.99%,明显优于将C3N4前驱体二氰二胺附着于混凝土后再进行煅烧所获得的混凝土的降解效率[53]。

为了提高光催化剂与基体材料的粘附性,提升光催化涂层的使用寿命,将g-C3N4纳米片与再生沥青路面骨料复合制备光催化涂层(PRAPA),该涂层对NOx的去除率可达437 μmol/(m2·h),远高于同浓度下g-C3N4与标准砂复合所制备涂层(PSS)的去除率(256.1 μmol/(m2·h))。同时,经流水冲刷后,PRAPA涂层的g-C3N4损失率(53.7%)远低于PSS的损失率(93.1%),且其NOx去除率约是PSS的6倍[54]。随后,该课题组对比了g-C3N4涂层(MCM)和涂覆粘结剂的g-C3N4涂层(DCM)对光催化性能的影响,结果表明DCM试块经剥落或洗涤后,其涂层完整性保持良好。经5次剥落处理后,DCM试块的NOx去除率(232.5 μmol/(m2·h))是MCM试块1.5倍。同时经60 min洗涤后,DCM试块对NOx去除率也是极为突显(202.1 μmol/(m2·h)),是MCM试块的1.9倍[55]。

2.3 BiOX(X=Cl、Br、I)改性光催化水泥基材料

卤氧化铋具有高化学稳定性、低成本、无毒性以及良好的耐腐蚀性等众多优点,更重要的是其独特层状结构使得光生载流子迁移率加快,成为近年来光催化剂领域的研究重点[56-57]。Wang等[58]将SiO2包覆在花状BiOBr表面后对水泥基材料进行改性,其对罗丹明B的降解率达81%。同时,由于纳米SiO2与水泥基质间能够发生火山灰效应,使得水泥基体表面性质发生改善,从而提升其力学性能及耐久性。如图4(a),(b)所示,不同溶剂制备的BiOBr前驱体溶液与水泥浆体混合后获得的样品的光催化效率差异较大[59]。Magaly等[57]发现相较于BiOI水泥基复合材料(BiOI-cem),BiOCl水泥基复合材料(BiOCl-cem)对NO降解率更高(图4(c)),这是由于氧空位的存在和较强的氧化电位导致的。但在NOx混合气体环境下(NO+NO2),BiOI-cem具有相对较高的硝酸盐选择性,其对NOx降解效率最高(图4(d))。

图4 (a) 以自来水为溶剂(Control)、以乙二醇为溶剂(BiOBr-1)、以硝酸为溶剂(BiOBr-2)获得样品的罗丹明B降解效率[59];(b) 不同样品的NO、NOx去除率及NO2生成率[59];(c) BiOX(X=Cl、I)水泥基复合材料的NO-NOx去除率和NO2生成率[57];(d) BiOX(X=Cl、I)水泥基复合材料的硝酸盐选择性[57]Fig.4 (a) Degradation efficiency of Rhodamine B in samples with tap water as solvent (Control),ethylene glycol as solvent (BiOBr-1) and nitric acid as solvent (BiOBr-2)[59];(b) NO and NOx removal rate and NO2 generation rate of modified samples obtained at different autoclaving curing times [59];(c) NO-NOx removal rate and NO2 generation rate of BiOX(X=Cl,I) cement-based composites[57];(d) nitrate selectivity of BiOX(X=Cl,I) cementitious composites[57]

2.4 ZnO

与TiO2相比,ZnO除了具有无毒、低成本、高化学稳定性等特点,还展现出更好的抗菌性能、可见光催化性能,在环境污染修复领域有巨大应用潜力[ 60-61]。王亚民等[1]发现利用纳米ZnO改性后的高性能混凝土具有良好的抗菌性能,其对大肠杆菌灭活率高达100%,对金黄色葡萄球菌的降解率也能达到99.12%。纳米ZnO晶体生长受基材的结构性质(孔隙率、粗糙度等)和表面化学性质(pH值、表面官能团等)的影响较大,使得其光催化活性也会随之改变。选用两种不同孔隙率、化学配方的混凝土作为纳米ZnO生长基材,采用经典水热法、无籽水热生长法制备了不同的ZnO改性光催化混凝土,其制备过程如图5(a)所示。在人工日光灯照射下,利用经典水热法和无籽水热生长法制备的ZnO改性光催化混凝土在多次循环后对甲基橙的降解率均可达85%～95%(图5(b),(c))。但随着循环次数的增加,无籽水热生长法制备的改性光催化混凝土表现出更稳定有效的光催化降解有机污染物活性[60]。Singh等[ 61]发现经ZnO改性的白水泥复合材料能够在紫外光照射12 h将罗丹明6G(R6G)完全降解。同时,该白水泥-ZnO复合材料在日光下灭菌率则可达到96%,展现出良好的抗微生物活性。此外,由于ZnO的掺入,混凝土表面的接触角从46.90°增加到88.03°,促进其表面由亲水性向疏水性的转变,进一步增强自清洁功效。Pivert等[62]以商用混凝土作为基底,采用水热合成法使其表面均匀排列ZnO纳米线,在紫外光照射2～3 h内,该体系对甲基橙、亚甲基蓝、酸性红14等3种有机染料的降解率均可达到100%。同时,在真实污染物环境中,商用混凝土负载ZnO纳米线试块在人造太阳光照射90 min后,的NO、NOx浓度分别下降了19%、13%[ 63]。

图5 (a) 采用无籽水热生长法①、经典水热法②制备的ZnO改性光催化混凝土流程图;(b) 多次循环后,红色混凝土(RC)的光催化降解速率;(c) 多次循环后,灰色混凝土(GC)的光催化降解速率[60]Fig.5 (a) Flow chart of ZnO modified photocatalytic concrete prepared by seedless hydrothermal growth method 1 and classical hydrothermal method 2;(b) photocatalytic degradation rate of red concrete (RC) after multiple cycles;(c) photocatalytic degradation rate of grey concrete (GC) after multiple cycles[60]

2.5 其他材料改性光催化混凝土

铋系化合物,因其合适的能带结构、独特的电子构型、特殊的晶体结构以及良好的生态效应,表现出巨大的应用潜力。Luévano-Hipólito等[56]详细对比了Bi2O2CO3、Bi2O3、BiOI、BiVO4、BiPO4等铋系化合物混凝土涂层的自清洁性能,研究发现具有较小的粒径和较高的比表面积的Bi2O2CO3催化剂表现出更好的的自清洁能力。在可见光下照射80 min后,掺杂15% (质量分数)Bi2WO6微球的水泥基材料能将甲醛(HCHO)降解[64]。从微观结构上看,Bi2WO6微球均匀分散于孔隙内部,抑制了颗粒间团聚现象的发生,提高了光催化性能。但当Bi2WO6掺量高于15%时,过多的Bi2WO6会阻碍Si-O键的聚合,不利于C3S和C2S的水化,整体的水化热呈现降低趋势。Mendoza等[65]将α/β-Bi2O3同质结加入到碱活化再生粉煤灰中制备光催化砂浆涂层,在紫外灯连续照射3 h后,α/β-Bi2O3同质结光催化砂浆涂层对亚甲基蓝去除率达31%。Ahmadifard等[66]首次尝试将氧化镁纳米颗粒(MgO-NPs)应用于混凝土表面,研究表明在紫外光照射120 min后,涂覆在混凝土表面的MgO-NPs浆液对水溶液中二嗪农的光催化降解效率约99.46%,远高于未使用紫外灯照射(10%)或未添加MgO-NPs(19%)对照组的光降解效率。李维维等[67]在对外掺MgO水泥基材料的微观结构进行表征时发现MgO的掺入降低了有害孔的比例,改善孔结构,提高了水泥基材料的压蒸抗压强度。曹宝月等[68]对比了采用传统hummers法制备的氧化石墨烯(GO)、经NaOH碱溶液水热改性的GONaOH以及经高温煅烧获得具有三维结构的3D-GO掺入钼尾矿水泥基体材料中的光催化效果。研究发现,在汞灯光照1 h后,掺入3D-GO的试样对罗丹明B的光催化降解效率最高,可达80.05%。这是因为GO经高温煅烧转变为三维网络结构,使得其表面活性位点的裸露程度增加,最终提升其光催化性能。CaF2是一种有效的抗菌物质,掺入CaF2的水泥砂浆复合材料表现出优异的抗菌活性,与不含CaF2砂浆样品相比,掺入CaF2水泥砂浆在培养皿中菌落群数量明显减少。同时,其在紫外光照射11 h下降解59%的亚甲基蓝,表现出良好的光催化降解性能[ 69]。Lin等[70]采用直接掺入法制备了MoS2纳米花改性水泥基材料,在紫外光照射180 min下其对罗丹明6G降解率高达85%。LiNbO3能够有效光解空气中具有挥发性的有机化合物(VOCs),利用LiNbO3改性混凝土在270 min内能够去除约82%的甲苯,在空气治理方面展现出良好的应用前景[71]。

表1总结了不同类型光催化剂应用于水泥基材料的制备方法、目标污染物、降解效率以及光照条件。由表1可知,目前研究最多最广泛的是TiO2光催化剂,较宽的禁带宽度使得其仅能在紫外光照射下展现出相对较高的光催化降解效率。若使其具有更好的可见光催化性能,需对其进行掺杂或复合等处理才可实现。同时,随着光催化技术研究的不断发展,光催化剂的不断革新,更多的材料被应用于光催化水泥基材料中,其可见光降解效率也得到大幅提升。因此,设计廉价高效的光催化剂,无疑是保证光催化水泥基材料大规模工业应用的关键所在。

表1 不同类型光催化剂应用于水泥基材料的制备方法、目标污染物、降解效率及光照条件总结Table 1 Summary of preparation methods,target pollutants,degradation efficiency and light conditions of different types ofphotocatalysts applied to cement-based materials

3 结 语

综述了光催化剂在水泥基材料中应用的研究进展,总结了光催化水泥基材料的制备方法,分析当前不同类型光催化水泥基材料的优缺点。将光催化剂与水泥基材料复合,赋予其自清洁、抗菌、净化等功能,从而提升水泥基材料耐久性,解决环境污染问题。同时,光催化剂的微骨料效应能够优化水泥基材料内部的孔隙结构,提高水泥基材料力学性能,延长其服役寿命。然而,这项技术仍处于发展的早期阶段,研究人员需克服巨大困难促使光催化水泥基材料从实验室研究向大规模工业生产的转变。为此,我们提出以下观点,以启发、推进光催化水泥基材料的合理设计及规模化应用进程。

(1)光催化剂本身的局限性。部分光催化剂存在可见光响应范围较窄,空穴-电子极易复合等问题,使得其光催化效率并不高。近年来研究人员尝试通过离子掺杂、同质结构建、异质结调控以及载体表面分散等方式提升了光催化效率,却使得其制备过程更加繁琐、成本增加。同时,光催化剂的团聚现象较为严重,难以在水泥基材料中均匀分散,降低了光催化效率。此外,光催化水泥基材料复杂的服役环境使得其光催化性能的持久性和稳定性受到严重考验。因此,如何调控光催化剂的结构,设计简单易行的制备工艺,提升光催化效率及稳定性是光催化剂面临的重大问题。

(2)光催化水泥基材料制备方法的局限性。目前光催化混凝土常用的制备方法为表面涂覆法,但表面涂层与混凝土基体的结合力较差,使得其在雨水冲刷、大风干燥等复杂服役环境下的使用寿命变短。骨料负载法的骨料与光催化剂的界面相容性是影响光催化混凝土服役寿命和降解效率的关键问题。而直接掺入法的光催化剂使用量较大,且其内部的光催化剂作用效果甚微;同时,光催化剂引入水泥基材料内部,势必会对其水化过程、力学性能、耐久性能等产生影响。因此,如何优化光催化水泥基材料制备方法,增强光催化剂与混凝土的相容性,明确光催化剂掺量与混凝土力学性能、耐久性间构效关系是光催化水泥基材料能否大规模工业化利用的关键所在。

(3)光催化水泥基材料表征方法的局限性。硬化后的水泥基材料呈多孔结构,对目标污染物,如有机染料、抗生素、农药等有较强的吸附作用,影响光催化降解能力的评价结果。为了保证光催化水泥基材料的大规模工业应用,不仅要建立相关产品的评价体系,还需要避免污染物吸附引起的实验干扰。因此,全面探索光催化剂对各种污染物的降解效率和适用条件,并进一步建立配套评价体系,从而获得更加准确、科学地探索光催化水泥基材料的光催化能力至关重要。

综上所述,在水泥基材料中引入光催化功能拓宽了光催化剂的应用领域,为功能化建筑材料的开发利用提供了新的思路与方向。光催化水泥基材料的生产应用能够有效保障以水泥基材料为主建筑物的安全稳定性,缓解汽车尾气、有机染料、抗生素、微生物等引起的大气、水体污染问题,为贯彻“绿色低碳循环”发展理念、实现绿色可持续发提供了新的途径。