Graphene Flagship partner dell'Università di Bologna, Politecnico di Milano, CNR, NIDO, Italcementi HeidelbergCement Group, l'Israel Institute of Technology, Università della tecnologia di Eindhoven, e l'Università di Cambridge hanno sviluppato un fotocatalizzatore di grafene-titania che degrada fino al 70% in più di ossidi di azoto atmosferici (NO _X ) rispetto alle nanoparticelle di titanio standard nei test su inquinanti reali.

L'inquinamento atmosferico è un problema crescente, soprattutto nelle aree urbane e nei paesi meno sviluppati. Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità, un decesso su nove può essere attribuito a malattie causate dall'inquinamento atmosferico. Inquinanti organici, come ossidi di azoto e composti volatili, ne sono la causa principale, e sono per lo più emessi dagli scarichi dei veicoli e dall'industria.

Per affrontare il problema, i ricercatori sono continuamente alla ricerca di nuovi modi per rimuovere più inquinanti dall'atmosfera, e i fotocatalizzatori come Titania sono un ottimo modo per farlo. Quando il titanio è esposto alla luce solare, degrada gli ossidi di azoto, molto dannosi per la salute umana, e i composti organici volatili presenti in superficie, ossidandoli in prodotti inerti o innocui.

Ora, il team Graphene Flagship che lavora sui rivestimenti fotocatalitici, coordinato da Italcementi, HeidelbergCement Group, Italia, ha sviluppato un nuovo composito grafene-titania con proprietà di fotodegradazione significativamente più potenti rispetto alla nuda titanio. "Abbiamo risposto alla chiamata del Flagship e abbiamo deciso di accoppiare il grafene al fotocatalizzatore più utilizzato, titano, per potenziare l'azione fotocatalitica, " commenta Marco Goisis, il coordinatore della ricerca in Italcementi. "La fotocatalisi è uno dei modi più potenti che abbiamo per disinquinare l'ambiente, perché il processo non consuma i fotocatalizzatori. È una reazione attivata dalla luce solare, " lui continua.

Eseguendo l'esfoliazione in fase liquida della grafite, un processo che crea grafene, in presenza di nanoparticelle di titania, utilizzando solo acqua e pressione atmosferica, hanno creato un nuovo nanocomposito grafene-titania che può essere rivestito sulla superficie dei materiali per rimuovere passivamente gli inquinanti dall'aria. Se il rivestimento viene applicato su calcestruzzo per strada o sui muri degli edifici, gli innocui prodotti di fotodegradazione potrebbero essere lavati via dalla pioggia o dal vento, o pulito manualmente.

Per misurare gli effetti di fotodegradazione, il team ha testato il nuovo fotocatalizzatore contro NOx e ha registrato un notevole miglioramento nella degradazione fotocatalitica degli ossidi di azoto rispetto al titanio standard. Hanno anche usato la rodamina B come modello per gli inquinanti organici volatili, poiché la sua struttura molecolare è molto simile a quella degli inquinanti emessi dai veicoli, industria e agricoltura. Hanno scoperto che il 40% in più di rodamina B è stato degradato dal composto grafene-titania rispetto alla sola titania, in acqua sotto irraggiamento UV.

"L'accoppiamento del grafene con il titanio ci ha dato ottimi risultati sotto forma di polvere e potrebbe essere applicato a diversi materiali, di cui il calcestruzzo è un buon esempio per l'uso diffuso, aiutandoci a raggiungere un ambiente più sano. È a bassa manutenzione e rispettoso dell'ambiente, poiché richiede solo l'energia del sole e nessun altro input, " Dice Goisis. Ma ci sono sfide da affrontare prima che questo possa essere usato su scala commerciale. Sono necessari metodi più economici per produrre in serie il grafene. Le interazioni tra il catalizzatore e il materiale ospite devono essere approfondite così come gli studi a lungo termine -stabilità a lungo termine del fotocatalizzatore nell'ambiente esterno.

Le misurazioni della spettroscopia di assorbimento transitorio ultraveloce hanno rivelato un processo di trasferimento di elettroni dalla titania ai fiocchi di grafene, diminuendo il tasso di ricombinazione della carica e aumentando l'efficienza della fotoproduzione di specie reattive, il che significa che più molecole inquinanti potrebbero essere degradate.

Xinliang Feng, Leader del pacchetto di lavoro di punta del grafene per schiume e rivestimenti funzionali, spiega:"Fotocatalisi in matrice cementizia, applicato agli edifici, potrebbe avere un grande effetto per ridurre l'inquinamento atmosferico riducendo gli NOx e consentendo l'autopulizia delle superfici, il cosiddetto effetto "mangia-smog". Il grafene potrebbe aiutare a migliorare il comportamento fotocatalitico di catalizzatori come il titanio e migliorare le proprietà meccaniche del cemento. In questa pubblicazione, I partner di Graphene Flagship hanno preparato un composito grafene-titania tramite una procedura in un solo passaggio per ampliare e migliorare l'innovativa invenzione del cemento "mangia-smog". Il composito preparato ha mostrato una maggiore attività fotocatalitica, degradando fino al 40% in più di inquinanti rispetto alla titania incontaminata nello studio del modello, e fino al 70% in più di NOx con una procedura simile. Inoltre, il meccanismo alla base di questo miglioramento è stato brevemente studiato utilizzando la spettroscopia di assorbimento transitorio ultraveloce."

Enrico Borgarello, Direttore Global Product Innovation di Italcementi, parte del gruppo HeidelbergCement, uno dei maggiori produttori mondiali di cemento, commenta:"L'integrazione del grafene nella titania per creare un nuovo nanocomposito è stato un successo. Il nanocomposito ha mostrato un forte miglioramento nella degradazione fotocatalitica degli NOx atmosferici, potenziando l'azione della titania. Questo è un risultato molto significativo, e attendiamo con impazienza l'implementazione del nanocomposito fotocatalitico per una migliore qualità dell'aria nel prossimo futuro".

Le ragioni per incorporare il grafene nel cemento non si fermano qui. Italcementi sta lavorando anche a un altro prodotto:un composito di calcestruzzo al grafene elettricamente conduttivo, che è stato presentato al Mobile World Congress nel febbraio di quest'anno. Quando incluso come strato nella pavimentazione, potrebbe rilasciare calore quando viene attraversata da una corrente elettrica. Goisis commenta:"Potresti riscaldare la tua stanza, o il marciapiede, senza utilizzare l'acqua di un serbatoio o di una caldaia. Questo apre le porte all'innovazione per le città intelligenti del futuro, in particolare al calcestruzzo autosensibile, " che potrebbe rilevare sollecitazioni o deformazioni nelle strutture in calcestruzzo e monitorare i difetti strutturali, fornendo segnali di avvertimento se l'integrità strutturale è prossima al cedimento.

Andrea C. Ferrari, Responsabile scientifico e tecnologico dell'ammiraglia del grafene e presidente del suo comitato di gestione, aggiunge:"Un numero sempre crescente di aziende sono ora partner, o membri associati del Flagship Graphene, poiché riconoscono il potenziale per tecnologie nuove e migliorate. In questo lavoro, Italcementi, leader in Italia nel settore dei materiali da costruzione, hanno dimostrato una chiara applicazione del grafene per la degradazione degli inquinanti ambientali. Questo non può avere solo vantaggi commerciali, ma, più importante, beneficio della società risultando in un ambiente più pulito e più sano".