Smogædende grafenkomposit reducerer atmosfærisk forurening

Graphene Flagship partnere University of Bologna, Politecnico di Milano, CNR, REDE, Italcementi HeidelbergCement Group, Israel Institute of Technology, Eindhoven University of Technology, og University of Cambridge har udviklet en grafen-titania-fotokatalysator, der nedbryder op til 70 % flere atmosfæriske nitrogenoxider (NO _x ) end standard titanium-nanopartikler i test af rigtige forurenende stoffer.

Atmosfærisk forurening er et voksende problem, især i byområder og i mindre udviklede lande. Ifølge Verdenssundhedsorganisationen et ud af ni dødsfald kan tilskrives sygdomme forårsaget af luftforurening. Organiske forurenende stoffer, såsom nitrogenoxider og flygtige forbindelser, er hovedårsagen til dette, og de udsendes for det meste af køretøjers udstødninger og industrien.

For at løse problemet, forskere er konstant på jagt efter nye måder at fjerne flere forurenende stoffer fra atmosfæren, og fotokatalysatorer såsom titania er en fantastisk måde at gøre dette på. Når titanium udsættes for sollys, det nedbryder nitrogenoxider - som er meget skadelige for menneskers sundhed - og flygtige organiske forbindelser til stede på overfladen, oxiderer dem til inerte eller ufarlige produkter.

Nu, Graphene Flagship -teamet, der arbejder med fotokatalytiske belægninger, koordineret af Italcementi, HeidelbergCement Group, Italien, udviklet en ny grafen-titania-komposit med væsentligt stærkere fotonedbrydningsegenskaber end blot titanium. "Vi besvarede flagskibets opkald og besluttede at koble grafen til den mest brugte fotokatalysator, titania, for at øge den fotokatalytiske virkning, " kommenterer Marco Goisis, forskningskoordinatoren hos Italcementi. "Fotokatalyse er en af ​​de mest kraftfulde måder, vi har til at forurene miljøet, fordi processen ikke forbruger fotokatalysatorerne. Det er en reaktion aktiveret af sollyset, " fortsætter han.

Ved at udføre flydende faseeksfoliering af grafit - en proces, der skaber grafen - i nærværelse af titaniumanopartikler, kun bruger vand og atmosfærisk tryk, de skabte en ny grafen-titania nanokomposit, der kan belægges på overfladen af ​​materialer for passivt at fjerne forurenende stoffer fra luften. Hvis belægningen påføres beton på gaden eller på væggene i bygninger, de harmløse fotonedbrydningsprodukter kan vaskes væk af regn eller blæst, eller renses manuelt.

For at måle fotonedbrydningseffekterne, holdet testede den nye fotokatalysator mod NOx og registrerede en lydforbedring i fotokatalytisk nedbrydning af nitrogenoxider sammenlignet med standard titanoxid. De brugte også rhodamin B som model for flygtige organiske forurenende stoffer, da dens molekylære struktur meget ligner strukturen af ​​forurenende stoffer, der udsendes af køretøjer, industri og landbrug. De fandt ud af, at 40% mere rhodamin B blev nedbrudt af grafen-titania-sammensætningen end af titania alene, i vand under UV-bestråling.

"Kobling af grafen til titania gav os fremragende resultater i pulverform - og det kunne påføres forskellige materialer, hvoraf beton er et godt eksempel til udbredt brug, hjælper os med at opnå et sundere miljø. Det er lavt vedligeholdelsesvenligt og miljøvenligt, da det kun kræver solens energi og intet andet input, " siger Goisis. Men der er udfordringer, der skal løses, før dette kan bruges i kommerciel skala. Der er behov for billigere metoder til at masseproducere grafen. Interaktioner mellem katalysatoren og værtsmaterialet skal uddybes, såvel som undersøgelser af det lange -tidsstabilitet af fotokatalysatoren i det udendørs miljø.

Ultrahurtige transient absorptionsspektroskopimålinger afslørede en elektronoverførselsproces fra titaniumdioxid til grafenflager, sænke ladningsrekombinationshastigheden og øge effektiviteten af ​​fotoproduktion af reaktive arter - hvilket betyder, at flere forurenende molekyler kan nedbrydes.

Xinliang Feng, Graphene Flagship Work Package Leader for funktionelt skum og belægninger, forklarer:"Fotokatalyse i en cementholdig matrix, anvendes på bygninger, kunne have en stor effekt til at reducere luftforurening ved at reducere NOx og muliggøre selvrensning af overfladerne-den såkaldte "smogspisende" effekt. Grafen kunne hjælpe med at forbedre den fotokatalytiske opførsel af katalysatorer som titaniumdioxid og forbedre cementens mekaniske egenskaber. I denne publikation, Graphene Flagship-partnere har udarbejdet en grafen-titania-komposit via en et-trins-procedure for at udvide og forbedre den banebrydende opfindelse af "smog-ædende" cement. Den fremstillede komposit viste øget fotokatalytisk aktivitet, nedbrydning af op til 40% flere forurenende stoffer end uberørt titania i modelundersøgelsen, og op til 70 % mere NOx med en lignende procedure. I øvrigt, mekanismen bag denne forbedring blev kort undersøgt ved hjælp af ultrahurtig transient absorptionsspektroskopi."

Enrico Borgarello, Global Product Innovation Director hos Italcementi, en del af HeidelbergCement Group, en af ​​verdens største producenter af cement, kommentarer:"Integration af grafen i titaniumdioxid for at skabe en ny nanokomposit var en succes. Nanokompositten viste en stærk forbedring i den fotokatalytiske nedbrydning af atmosfærisk NOx, hvilket øgede virkningen af ​​titaniumdioxid. Dette er et meget signifikant resultat, og vi ser frem til implementeringen af ​​det fotokatalytiske nanokomposit for en bedre luftkvalitet i den nærmeste fremtid. "

Grundene til at inkorporere grafen i beton stopper ikke her. Italcementi arbejder også på et andet produkt - en elektrisk ledende grafenbetonkomposit, som blev fremvist på Mobile World Congress i februar i år. Når det er inkluderet som et lag i gulve, det kan frigive varme, når en elektrisk strøm ledes gennem det. Goisis kommenterer:"Du kunne opvarme dit værelse, eller fortovet, uden brug af vand fra en tank eller kedel. Dette åbner døren til innovation for fremtidens smarte byer – især til selvfølende beton, "som kunne detektere stress eller belastning i betonkonstruktioner og overvåge for strukturelle defekter, giver advarselssignaler, hvis den strukturelle integritet er tæt på at svigte.

Andrea C. Ferrari, Videnskabs- og teknologiofficer for Graphene Flagship og formand for dets ledelsespanel, tilføjer:"Et stadigt stigende antal virksomheder er nu partnere, eller associerede medlemmer af Graphene Flagship, da de anerkender potentialet for nye og forbedrede teknologier. I dette arbejde, Italcementi, førende i Italien inden for byggematerialer, vist en klar anvendelse af grafen til nedbrydning af miljøforurenende stoffer. Dette kan ikke kun have kommercielle fordele, men, mest vigtigt, gavn for samfundet ved at resultere i et renere og sundere miljø."