Graphene Flagship werkt samen met de Universiteit van Bologna, Politecnico di Milano, CNR, NEST, Italcementi HeidelbergCement Groep, het Israëlisch Instituut voor Technologie, Technische Universiteit Eindhoven, en de Universiteit van Cambridge hebben een grafeen-titania fotokatalysator ontwikkeld die tot 70% meer atmosferische stikstofoxiden afbreekt (NO _x ) dan standaard titanium nanodeeltjes in tests op echte verontreinigende stoffen.

Luchtvervuiling is een groeiend probleem, vooral in stedelijke gebieden en in minder ontwikkelde landen. Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie, een op de negen sterfgevallen kan worden toegeschreven aan ziekten veroorzaakt door luchtvervuiling. organische verontreinigende stoffen, zoals stikstofoxiden en vluchtige stoffen, zijn hiervan de belangrijkste oorzaak, en ze worden meestal uitgestoten door uitlaatgassen van voertuigen en de industrie.

Om het probleem aan te pakken, onderzoekers zijn voortdurend op zoek naar nieuwe manieren om meer verontreinigende stoffen uit de atmosfeer te verwijderen, en fotokatalysatoren zoals titania zijn een geweldige manier om dit te doen. Wanneer titania wordt blootgesteld aan zonlicht, het degradeert stikstofoxiden - die zeer schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid - en vluchtige organische verbindingen die aan het oppervlak aanwezig zijn, oxideren tot inerte of onschadelijke producten.

Nutsvoorzieningen, het Graphene Flagship-team dat werkt aan fotokatalytische coatings, gecoördineerd door Italcementi, HeidelbergCement Groep, Italië, ontwikkelde een nieuwe grafeen-titania-composiet met aanzienlijk krachtigere fotodegradatie-eigenschappen dan blote titania. "We beantwoordden de oproep van het vlaggenschip en besloten grafeen te koppelen aan de meest gebruikte fotokatalysator, titaan, om de fotokatalytische werking te versterken, " zegt Marco Goisis, de onderzoekscoördinator bij Italcementi. "Fotokatalyse is een van de krachtigste manieren om het milieu te zuiveren, omdat het proces de fotokatalysatoren niet verbruikt. Het is een reactie die wordt geactiveerd door zonlicht, " hij gaat door.

Door het uitvoeren van exfoliatie in de vloeibare fase van grafiet - een proces dat grafeen creëert - in de aanwezigheid van titanium nanodeeltjes, alleen water en atmosferische druk gebruiken, ze creëerden een nieuw grafeen-titania-nanocomposiet dat op het oppervlak van materialen kan worden gecoat om verontreinigende stoffen passief uit de lucht te verwijderen. Als de coating wordt aangebracht op beton op straat of op de muren van gebouwen, de onschadelijke fotodegradatieproducten kunnen worden weggespoeld door regen of wind, of handmatig schoongemaakt.

Om de fotodegradatie-effecten te meten, het team testte de nieuwe fotokatalysator tegen NOx en registreerde een goede verbetering van de fotokatalytische afbraak van stikstofoxiden in vergelijking met standaard titania. Ze gebruikten ook rhodamine B als model voor vluchtige organische verontreinigende stoffen, aangezien de moleculaire structuur sterk lijkt op die van verontreinigende stoffen die door voertuigen worden uitgestoten, industrie en landbouw. Ze ontdekten dat 40% meer rhodamine B werd afgebroken door de grafeen-titania-composiet dan door titania alleen, in water onder UV-straling.

"Het koppelen van grafeen aan titania gaf ons uitstekende resultaten in poedervorm - en het kan op verschillende materialen worden toegepast, waarvan beton een goed voorbeeld is voor het wijdverbreide gebruik, helpen ons om een ​​gezonder milieu te bereiken. Het is onderhoudsarm en milieuvriendelijk, omdat het alleen de energie van de zon nodig heeft en geen andere input, ", zegt Goisis. Maar er zijn uitdagingen die moeten worden aangepakt voordat dit op commerciële schaal kan worden gebruikt. Er zijn goedkopere methoden nodig om grafeen in massa te produceren. De interacties tussen de katalysator en het gastheermateriaal moeten worden verdiept, evenals studies naar de lange -termijnstabiliteit van de fotokatalysator in de buitenomgeving.

Ultrasnelle transiënte absorptiespectroscopiemetingen onthulden een proces van elektronenoverdracht van titania naar de grafeenvlokken, het verlagen van de recombinatiesnelheid van de lading en het verhogen van de efficiëntie van de fotoproductie van reactieve soorten, wat betekent dat meer vervuilende moleculen kunnen worden afgebroken.

Xinliang Feng, Graphene Flagship Work Package Leader voor functionele schuimen en coatings, legt uit:"Fotokatalyse in een cementgebonden matrix, toegepast op gebouwen, zou een groot effect kunnen hebben op het verminderen van luchtvervuiling door NOx te verminderen en zelfreiniging van de oppervlakken mogelijk te maken - het zogenaamde "smog-etende" effect. Grafeen zou kunnen helpen om het fotokatalytische gedrag van katalysatoren zoals titania te verbeteren en de mechanische eigenschappen van cement te verbeteren. In deze publicatie Graphene Flagship-partners hebben een grafeen-titania-composiet gemaakt via een procedure in één stap om de baanbrekende uitvinding van "smog-etend" cement te verbreden en te verbeteren. De bereide composiet vertoonde verbeterde fotokatalytische activiteit, tot 40% meer verontreinigende stoffen afbreekt dan ongerept titania in de modelstudie, en tot 70% meer NOx met een vergelijkbare procedure. Bovendien, het mechanisme dat aan deze verbetering ten grondslag ligt, werd kort bestudeerd met behulp van ultrasnelle transiënte absorptiespectroscopie."

Enrico Borgarello, Global Product Innovation Director bij Italcementi, onderdeel van de HeidelbergCement Groep, een van 's werelds grootste cementproducenten, commentaar:"De integratie van grafeen in titania om een ​​nieuwe nanocomposiet te creëren was een succes. De nanocomposiet liet een sterke verbetering zien in de fotokatalytische afbraak van NOx uit de atmosfeer, wat de werking van titania versterkte. Dit is een zeer significant resultaat, en we kijken uit naar de implementatie van het fotokatalytische nanocomposiet voor een betere luchtkwaliteit in de nabije toekomst."

De redenen om grafeen in beton te verwerken, houden hier niet op. Italcementi werkt ook aan een ander product:een elektrisch geleidend grafeenbetoncomposiet, die in februari van dit jaar werd gepresenteerd op het Mobile World Congress. Wanneer opgenomen als een laag in vloeren, het kan warmte afgeven wanneer er een elektrische stroom doorheen wordt geleid. Goisis merkt op:"Je zou je kamer kunnen verwarmen, of de stoep, zonder water uit een tank of boiler te gebruiken. Dit opent de deur naar innovatie voor de slimme steden van de toekomst, met name voor zelfgevoelig beton, " die spanning of spanning in betonconstructies zou kunnen detecteren en controleren op structurele defecten, het geven van waarschuwingssignalen als de structurele integriteit bijna bezwijkt.

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship en voorzitter van het managementpanel, voegt toe:"Een steeds groter aantal bedrijven zijn nu partners, of geassocieerde leden van het Graphene Flagship, omdat ze het potentieel voor nieuwe en verbeterde technologieën erkennen. In dit werk, Italcementi, leider in Italië op het gebied van bouwmaterialen, demonstreerde een duidelijke toepassing van grafeen voor de afbraak van milieuverontreinigende stoffen. Dit kan niet alleen commerciële voordelen hebben, maar, het belangrijkste, voordeel van de samenleving door te resulteren in een schoner en gezonder milieu."