Graphene flaggskepp samarbetar med universitetet i Bologna, Politecnico di Milano, CNR, BO, Italcementi HeidelbergCement Group, Israel Institute of Technology, Eindhovens tekniska universitet, och University of Cambridge har utvecklat en grafen-titanoxid-fotokatalysator som bryter ned upp till 70 % mer atmosfäriska kväveoxider (NO _x ) än standard titananopartiklar i tester på verkliga föroreningar.

Atmosfärsföroreningar är ett växande problem, särskilt i stadsområden och i mindre utvecklade länder. Enligt Världshälsoorganisationen, ett av nio dödsfall kan tillskrivas sjukdomar orsakade av luftföroreningar. Organiska föroreningar, såsom kväveoxider och flyktiga föreningar, är huvudorsaken till detta, och de släpps till största delen ut av fordonsavgaser och industrin.

För att komma till rätta med problemet, forskare är ständigt på jakt efter nya sätt att ta bort fler föroreningar från atmosfären, och fotokatalysatorer som titan är ett bra sätt att göra detta. När titanium utsätts för solljus, det bryter ned kväveoxider – som är mycket skadliga för människors hälsa – och flyktiga organiska föreningar som finns på ytan, oxiderar dem till inerta eller ofarliga produkter.

Nu, Graphene Flagship-teamet arbetar med fotokatalytiska beläggningar, koordineras av Italcementi, HeidelbergCement Group, Italien, utvecklat en ny grafen-titan-komposit med betydligt mer kraftfulla fotonedbrytningsegenskaper än bar titan. "Vi svarade på flaggskeppets samtal och bestämde oss för att koppla grafen till den mest använda fotokatalysatorn, titania, för att öka den fotokatalytiska verkan, " kommenterar Marco Goisis, forskningskoordinatorn på Italcementi. "Fotokatalys är ett av de mest kraftfulla sätten vi har för att rensa miljön, eftersom processen inte förbrukar fotokatalysatorerna. Det är en reaktion som aktiveras av solljus, " han fortsätter.

Genom att utföra vätskefasexfoliering av grafit - en process som skapar grafen - i närvaro av titananopartiklar, använder endast vatten och atmosfärstryck, de skapade en ny grafen-titania nanokomposit som kan beläggas på ytan av material för att passivt ta bort föroreningar från luften. Om beläggningen appliceras på betong på gatan eller på väggarna i byggnader, de ofarliga fotonedbrytningsprodukterna kan sköljas bort av regn eller vind, eller rengöras manuellt.

För att mäta fotonedbrytningseffekterna, teamet testade den nya fotokatalysatorn mot NOx och registrerade en ljudförbättring i fotokatalytisk nedbrytning av kväveoxider jämfört med standard titandioxid. De använde också rhodamine B som modell för flyktiga organiska föroreningar, eftersom dess molekylära struktur liknar föroreningarna som släpps ut av fordon, industri och jordbruk. De fann att 40 % mer rhodamin B bröts ned av grafen-titanoxidkompositen än av enbart titandioxid, i vatten under UV-bestrålning.

"Kopplingen av grafen till titaniumoxid gav oss utmärkta resultat i pulverform - och det kunde appliceras på olika material, där betong är ett bra exempel för utbredd användning, hjälper oss att uppnå en hälsosammare miljö. Det är lite underhållsfritt och miljövänligt, eftersom det bara kräver solens energi och ingen annan input, " säger Goisis. Men det finns utmaningar att ta itu med innan detta kan användas i kommersiell skala. Det behövs billigare metoder för att masstillverka grafen. Interaktioner mellan katalysatorn och värdmaterialet måste fördjupas såväl som studier på lång tid. -tidsstabilitet för fotokatalysatorn i utomhusmiljön.

Ultrasnabba transientabsorptionsspektroskopimätningar avslöjade en elektronöverföringsprocess från titandioxid till grafenflingorna, minska laddningsrekombinationshastigheten och öka effektiviteten av fotoproduktion av reaktiva arter - vilket innebär att fler förorenande molekyler kan brytas ned.

Xinliang Feng, Grafen flaggskeppsarbetspaketledare för funktionella skum och beläggningar, förklarar:"Fotokatalys i en cementartad matris, tillämpas på byggnader, skulle kunna ha stor effekt för att minska luftföroreningarna genom att minska NOx och möjliggöra självrengöring av ytorna – den så kallade "smogätande" effekten. Grafen kan hjälpa till att förbättra det fotokatalytiska beteendet hos katalysatorer som titandioxid och förbättra cementens mekaniska egenskaper. I denna publikation, Flaggskeppspartners i grafen har förberett en komposit av grafen och titanium via en ettstegsprocedur för att bredda och förbättra den banbrytande uppfinningen av "smogätande" cement. Den preparerade kompositen visade förbättrad fotokatalytisk aktivitet, nedbryter upp till 40 % mer föroreningar än orörd titan i modellstudien, och upp till 70 % mer NOx med en liknande procedur. Dessutom, mekanismen bakom denna förbättring studerades kort med hjälp av ultrasnabb transient absorptionsspektroskopi."

Enrico Borgarello, Global Product Innovation Director på Italcementi, en del av HeidelbergCement Group, en av världens största tillverkare av cement, kommentarer:"Att integrera grafen i titaniumoxid för att skapa en ny nanokomposit var en framgång. Nanokompositen visade en stark förbättring i den fotokatalytiska nedbrytningen av atmosfärisk NOx, vilket förstärkte verkan av titanoxid. Detta är ett mycket signifikant resultat, och vi ser fram emot implementeringen av den fotokatalytiska nanokompositen för en bättre luftkvalitet inom en snar framtid."

Skälen till att införliva grafen i betong slutar inte här. Italcementi arbetar också på en annan produkt - en elektriskt ledande grafenbetongkomposit, som visades upp på Mobile World Congress i februari i år. När det ingår som ett lager i golv, den kan avge värme när en elektrisk ström passerar genom den. Goisis kommenterar:"Du kan värma ditt rum, eller trottoaren, utan att använda vatten från en tank eller panna. Detta öppnar dörren till innovation för framtidens smarta städer – särskilt till självkännande betong, " som kan upptäcka spänningar eller töjningar i betongkonstruktioner och övervaka strukturella defekter, ger varningssignaler om den strukturella integriteten är nära att gå sönder.

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer för Graphene Flagship och ordförande för dess ledningspanel, tillägger:"Ett ständigt ökande antal företag är nu partners, eller associerade medlemmar av Graphene Flagship, eftersom de inser potentialen för ny och förbättrad teknik. I det här arbetet, Italcementi, ledande i Italien inom området byggmaterial, visade en tydlig tillämpning av grafen för nedbrytning av miljöföroreningar. Detta kan inte bara ha kommersiella fördelar, men, viktigast, nytta för samhället genom att resultera i en renare och hälsosammare miljö."