混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法与流程

本发明涉及凝土纳米复合材料，具体涉及一种混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法。

背景技术：

1、新型纳米材料的制备和应用在绿色建筑行业中具有巨大的潜力，随着绿色建筑行业对于降低碳排放、节能环保的要求越来越高，建筑材料的选择成为实现这些目标的关键。纳米材料在混凝土领域的应用已经得到了广泛的研究和实践。例如，纳米二氧化硅、纳米氧化铝等纳米颗粒可以用作混凝土增强材料，提高混凝土的力学性能和耐久性。纳米石墨烯可以用于增强混凝土的导电性和抗裂性。

2、单原子纳米酶是一种具有独特特性的纳米材料，其主要特点包括高度稳定的单原子活性中心和可调控性。这些活性中心能够模拟天然酶的催化功能，具有高效率、高选择性和可控性。通过合适的调控手段，可以优化和调整单原子纳米酶的结构和催化性能以适应不同的应用需求，具有成为下一代纳米酶的巨大潜力。单原子纳米酶在各个领域都有广泛的应用，催化反应是其中的重要应用领域之一。单原子纳米酶可用于催化各种化学反应，如氧还原反应、氢化反应、氧化反应等，具有如同天然酶一样的催化效率和酶促反应动力性质。其高效率和高选择性的特性使其成为绿色催化领域的重要候选材料。此外，单原子纳米酶还在能源转换、环境保护和生物医学等领域展示出潜在的应用前景。但是，目前其在混凝土领域的应用还没有发现相关的报道。

技术实现思路

1、1.所要解决的技术问题：

2、针对上述技术问题，本发明提供一种混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法，通过在单原子铁纳米酶表面包裹多孔过氧化钙和多孔氧化硅形成三层core-shell结构纳米复合材料，对其进行表面氨基硅烷修饰，赋予其有机无机材料良好的相容性。

3、2.技术方案：

4、混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

5、步骤一：将乙二胺四乙酸铁钠nafeedta和硝酸钙以一定比例混合，加入一定浓度的氨水溶液搅拌溶解，滴入过氧化氢，搅拌一段时间，得到过氧化钙包裹的乙二胺四乙酸铁钠前体材料溶液；

6、步骤二：将步骤一中得到的前体材料溶液中缓慢滴加入一定量的正硅酸四乙酯溶液，搅拌，在室温下水解一段时间后停止，经冷冻干燥、研磨得到乙二胺四乙酸铁钠/过氧化钙/二氧化硅的三层core-shell结构复合材料；

7、步骤三：将步骤二所得的三层core-shell结构复合材料在一定温度下氮气煅烧，得到单原子铁纳米酶/多孔过氧化钙/多孔二氧化硅的三层core-shell结构复合材料；

8、步骤四：将步骤三所得的复合材料分散于乙醇中，加入一定量的氨基硅烷，搅拌一段时间，过滤烘干，得到表面接枝氨基硅烷的单原子铁纳米酶/多孔过氧化钙/多孔二氧化硅的三层core-shell结构复合材料。

9、进一步地，步骤一中，乙二胺四乙酸铁钠nafeedta与硝酸钙质量比为1：(0.5～0.1)。

10、进一步地，步骤一中，氨水的浓度为0.01～0.5mol/l；过氧化氢的浓度为0.01～0.5mol/l；搅拌时间为1～6h。

11、进一步地，步骤二中，过氧化钙包裹的乙二胺四乙酸铁钠前体材料与正硅酸四乙酯固体质量比为1：(0.5～0.1)，水解时间为12～24h。

12、进一步地，步骤三中，煅烧温度为300～350℃，煅烧时间为1～4h。

13、进一步地，步骤四中，氨基硅烷为3-氨基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的一种。

14、进一步地，步骤四中，氨基硅烷与分散于乙醇中的步骤三中所得的复合材料质量比为(0.01～0.05)：1，搅拌时间为12～24h。

15、3.有益效果：

16、(1)本方法制备的纳米复合材料在碱性条件下具有强催化活性。由于混凝土孔隙溶液呈强碱性，为了减少其碱性对单原子纳米酶酶活性的影响，本发明设计的core-shell结构将单原子纳米酶包覆在一层保护性的外壳中，可以提供额外的保护层，能够减少其与强碱性环境的直接接触；其次通过引入含有碱性基团的有机分子胺基，提供额外的质子缓冲能力，保护酶的活性中心不受碱性环境的影响。

17、(2)本发明制备的纳米复合材料在混凝土中具有优异的增强效果。本发明制备的纳米复合材料添加了硅、钙、铁等元素，而硅、钙、铁等元素的添加能够优化混凝土的微观结构，硅烷化学修饰能够提高混凝土表面的亲水疏水性，改善水泥颗粒和骨料之间的界面结合力，从而增强混凝土的密实度和均匀性。这种优化的微观结构在混凝土凝固和硬化过程中有助于形成更多的水化产物，如硅酸钙水合物(c-s-h凝胶)，这是混凝土强度的主要来源。另外氨基和硅烷化学修饰的添加，可以在水泥基材料中提供更多的成核位点，加速水泥水化反应的进行，提高其早期强度和提升耐久性。

18、(3)本发明制备的纳米复合材料具有优异的抗菌性。内层过氧化钙通过缓慢且持续不短的释放氧气，通过内核单原子铁纳米酶的作用氧气被原位活化形成多种类活性氧(ros)。ros具有强氧化性，能够迅速破坏细菌、真菌等微生物的细胞壁和细胞膜，阻断其生命活动，从而达到优异的杀菌效果。因此本方法制备的纳米复合材料不仅能够为混凝土材料提供了一种内在的、高效的抗菌机制，还能够大幅提升了材料的自洁能力和抗生物侵蚀性能。此外，这种由过氧化钙和单原子铁纳米酶共同驱动的抗菌机制，不依赖外加化学消毒剂，避免了潜在的环境污染和化学药品的副作用，是一种环境友好且可持续的抗菌策略。

19、综上所述，本方法制备纳米复合材料基于上述因素的协调作用，使三层core-shell纳米复合材料具备较好的杀菌效果和增强效果，在建筑领域具有良好的应用前景。

技术特征：

1.混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，乙二胺四乙酸铁钠nafeedta与硝酸钙质量比为1：（0.5~0.1）。

3.根据权利要求2所述的混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，氨水的浓度为0.01~0.5 mol/l；过氧化氢的浓度为0.01~0.5 mol/l；搅拌时间为1~6 h。

4.根据权利要求3所述的混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，过氧化钙包裹的乙二胺四乙酸铁钠前体材料与正硅酸四乙酯固体质量比为1：（0.5~0.1），水解时间为12~24 h。

5.根据权利要求4所述的混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，煅烧温度为300~350℃，煅烧时间为1~4 h。

6.根据权利要求5所述的混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中，氨基硅烷为3-氨基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的一种。

7.根据权利要求6所述的混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中，氨基硅烷与分散于乙醇中的步骤三中所得的复合材料质量比为（0.01~0.05）：1，搅拌时间为12~24 h。

技术总结本发明公开了一种混凝土用原位增强单原子纳米酶杀菌复合材料的制备方法，包括利用乙二胺四乙酸铁钠作为内核前体，通过原位反应在其表面包裹过氧化钙，形成过氧化钙包裹乙二胺四乙酸铁钠的复合前体；利用正硅酸四乙酯的定向水解，在上述复合前体表面形成二氧化硅薄层；随后通过惰性气体煅烧，得到单原子铁纳米酶/多孔过氧化钙/多孔二氧化硅的三层core‑shell结构复合材料；最后利用氨基硅烷接枝得到表面接枝氨基硅烷的单原子铁纳米酶/多孔过氧化钙/多孔二氧化硅的三层core‑shell结构复合材料。本方法制备的复合材料能够实现混凝土中持续高效杀菌同时，增加成核位点，促进水化，有效提升混凝土的早期强度与耐久性。技术研发人员：屈浩杰,蔡雪玲,王学川,吉飞,卢通,于鹏程,钱程,郑修宝,李锦锦,戴靖,郑春扬受保护的技术使用者：江苏奥莱特新材料股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/13