Graphene Flagship se asocia con la Universidad de Bolonia, Politecnico di Milano, CNR, NIDO, Italcementi HeidelbergCement Group, el Instituto de Tecnología de Israel, Universidad Tecnológica de Eindhoven, y la Universidad de Cambridge han desarrollado un fotocatalizador de grafeno-titania que degrada hasta un 70% más de óxidos de nitrógeno atmosférico (NO _X ) que las nanopartículas de titania estándar en pruebas con contaminantes reales.

La contaminación atmosférica es un problema creciente, particularmente en áreas urbanas y en países menos desarrollados. Según la Organización Mundial de la Salud, una de cada nueve muertes se puede atribuir a enfermedades causadas por la contaminación del aire. Contaminantes orgánicos, como óxidos de nitrógeno y compuestos volátiles, son la principal causa de esto, y en su mayoría son emitidos por los escapes de los vehículos y la industria.

Para enfrentar el problema, los investigadores están continuamente en la búsqueda de nuevas formas de eliminar más contaminantes de la atmósfera, y los fotocatalizadores como la titania son una excelente manera de hacerlo. Cuando la titania se expone a la luz solar, degrada los óxidos de nitrógeno, que son muy dañinos para la salud humana, y los compuestos orgánicos volátiles presentes en la superficie, oxidándolos en productos inertes o inofensivos.

Ahora, el equipo de Graphene Flagship que trabaja en recubrimientos fotocatalíticos, coordinado por Italcementi, Grupo HeidelbergCement, Italia, desarrolló un nuevo compuesto de grafeno-titania con propiedades de fotodegradación significativamente más poderosas que la titania desnuda. "Respondimos a la llamada del buque insignia y decidimos acoplar el grafeno al fotocatalizador más utilizado, titania, para potenciar la acción fotocatalítica, "comenta Marco Goisis, el coordinador de investigación de Italcementi. "La fotocatálisis es una de las formas más poderosas que tenemos para descontaminar el medio ambiente, porque el proceso no consume los fotocatalizadores. Es una reacción activada por la luz solar, " él continúa.

Al realizar una exfoliación en fase líquida de grafito, un proceso que crea grafeno, en presencia de nanopartículas de titania, utilizando solo agua y presión atmosférica, crearon un nuevo nanocompuesto de grafeno-titania que puede recubrirse en la superficie de los materiales para eliminar pasivamente los contaminantes del aire. Si el revestimiento se aplica al hormigón en la calle o en las paredes de los edificios, los productos de fotodegradación inofensivos podrían ser arrastrados por la lluvia o el viento, o limpiar manualmente.

Para medir los efectos de la fotodegradación, el equipo probó el nuevo fotocatalizador contra NOx y registró una mejora sólida en la degradación fotocatalítica de óxidos de nitrógeno en comparación con la titania estándar. También utilizaron rodamina B como modelo para contaminantes orgánicos volátiles, ya que su estructura molecular se parece mucho a la de los contaminantes emitidos por los vehículos, industria y agricultura. Descubrieron que el compuesto grafeno-titania degradaba un 40% más de rodamina B que la titania sola. en agua bajo irradiación UV.

"El acoplamiento de grafeno a titania nos dio excelentes resultados en forma de polvo, y podría aplicarse a diferentes materiales, de los cuales el hormigón es un buen ejemplo de uso generalizado, ayudándonos a lograr un medio ambiente más saludable. Es de bajo mantenimiento y respetuoso con el medio ambiente, ya que solo requiere la energía del sol y ninguna otra entrada, ", Dice Goisis. Pero hay desafíos que deben abordarse antes de que esto pueda usarse a escala comercial. Se necesitan métodos más baratos para producir grafeno en masa. Las interacciones entre el catalizador y el material huésped deben profundizarse, así como los estudios a largo plazo -estabilidad a largo plazo del fotocatalizador en el entorno exterior.

Las mediciones de espectroscopía de absorción transitoria ultrarrápida revelaron un proceso de transferencia de electrones de titania a las escamas de grafeno, disminuir la tasa de recombinación de carga y aumentar la eficiencia de la fotoproducción de especies reactivas, lo que significa que podrían degradarse más moléculas contaminantes.

Xinliang Feng, Líder del paquete de trabajo insignia de grafeno para espumas y recubrimientos funcionales, explica:"Fotocatálisis en una matriz cementosa, aplicado a edificios, podría tener un gran efecto para disminuir la contaminación del aire al reducir los NOx y permitir la autolimpieza de las superficies, el llamado efecto "devorador de smog". El grafeno podría ayudar a mejorar el comportamiento fotocatalítico de catalizadores como la titania y mejorar las propiedades mecánicas del cemento. En esta publicación, Los socios de Graphene Flagship han preparado un compuesto de grafeno-titania mediante un procedimiento de un solo paso para ampliar y mejorar la innovadora invención del cemento "devorador de smog". El compuesto preparado mostró una actividad fotocatalítica mejorada, degradando hasta un 40% más de contaminantes que la titania prístina en el estudio modelo, y hasta un 70% más de NOx con un procedimiento similar. Es más, el mecanismo subyacente a esta mejora se estudió brevemente utilizando espectroscopía de absorción transitoria ultrarrápida ".

Enrico Borgarello, Director de Innovación de Producto Global en Italcementi, parte del Grupo HeidelbergCement, uno de los mayores productores de cemento del mundo, comenta:"La integración del grafeno en la titania para crear un nuevo nanocompuesto fue un éxito. El nanocompuesto mostró una fuerte mejora en la degradación fotocatalítica del NOx atmosférico impulsando la acción de la titania. Este es un resultado muy significativo, y esperamos la implementación del nanocompuesto fotocatalítico para una mejor calidad del aire en un futuro cercano ".

Las razones para incorporar grafeno al hormigón no se detienen aquí. Italcementi también está trabajando en otro producto:un compuesto de hormigón de grafeno eléctricamente conductor, que se presentó en el Mobile World Congress en febrero de este año. Cuando se incluye como una capa en el suelo, podría liberar calor cuando pasa una corriente eléctrica a través de él. Goisis comenta:"Podrías calentar tu habitación, o el pavimento, sin usar agua de tanque o caldera. Esto abre la puerta a la innovación para las ciudades inteligentes del futuro, en particular al hormigón autodetectable, "que podría detectar tensiones o deformaciones en estructuras de hormigón y supervisar defectos estructurales, proporcionar señales de advertencia si la integridad estructural está cerca de fallar.

Andrea C. Ferrari, Oficial de ciencia y tecnología de Graphene Flagship y presidente de su panel de administración, añade:"Un número cada vez mayor de empresas son ahora socios, o miembros asociados de Graphene Flagship, ya que reconocen el potencial de tecnologías nuevas y mejoradas. En este trabajo, Italcementi, líder en Italia en el campo de los materiales de construcción, demostró una clara aplicación del grafeno para la degradación de contaminantes ambientales. Esto no solo puede tener beneficios comerciales, pero, Más importante, beneficio de la sociedad al dar como resultado un medio ambiente más limpio y saludable ".