Grafene nei compositi mangia-smog per ridurre l’inquinamento atmosferico

Il grafene aumenta capacità del biossido di titanio nella degradare particelle inquinati. Potrebbe essere usato per avere un cemento ‘intelligente’ e capace di ridurre le sostanze inquinanti.

Una collaborazione tra i partner del progetto Graphene Flagship, Università di Bologna, Politecnico di Milano, Consiglio Nazionale delle Ricerche, NEST, Italcementi HeidelbergCement Group, Istituto israeliano di tecnologia, Università di Tecnologia di Eindhoven e Università di Cambridge, hanno sviluppato un fotocatalizzatore composto da grafene e biossido di titanio in grado di degradare fino al 70% di ossidi di azoto atmosferici (NOx) rispetto alle nanoparticelle di biossido di titanio standard.

L’inquinamento atmosferico è un problema crescente, in particolare 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. Gli inquinanti organici, come gli ossidi di azoto e i composti volatili, ne sono la principale causa, e sono emessi per la maggior parte dagli scarichi dei veicoli e dall’industria.

Per affrontare questo problema, la scienza è alla continua ricerca di nuovi modi per rimuovere più inquinanti dall’atmosfera, e i fotocatalizzatori come la biossido di titanio sono un ottimo modo per farlo. Quando il biossido di titanio è esposto alla luce solare, degrada gli ossidi di azoto – sostanze molto nocive per la salute umana – e i composti organici volatili presenti in superficie, ossidandoli in prodotti inerti o innocui.

Ora, il team di ricercatori di Graphene Flagship che lavora sui rivestimenti fotocatalitici, coordinati dall’italiana Italcementi, HeidelbergCement Group, ha sviluppato una nuova composizione di grafene-biossido di titanio con proprietà di fotodegradazione molto più potenti di quelle del solo biossido di titanio. “Abbiamo deciso di accoppiare il grafene con il fotocatalizzatore più usato, biossido di titanio, per incrementare l’azione fotocatalitica”, commenta Marco Goisis, coordinatore della ricerca di Italcementi. “La fotocatalisi è uno dei modi più potenti per disinquinare l’ambiente, perché il processo non consuma i fotocatalizzatori. È una reazione attivata dalla luce solare”, continua.

Il nuovo materiale è stato realizzato eseguendo l’esfoliazione da fase liquida della grafite – un processo che crea grafene – in presenza di nanoparticelle di biossido di titanio, utilizzando solo acqua e pressione atmosferica. Il nanocomposito ottenuto hanno creato un nuovo nanocomposito di grafene-titania che può essere usato come rivestimento sulla superficie dei materiali per rimuovere passivamente gli inquinanti dall’aria. Se il rivestimento è applicato al calcestruzzo delle strade o sulle pareti degli edifici, i prodotti innocui della fotodegradazione possono essere lavati via dalla pioggia o dal vento o puliti manualmente.

Per misurare gli effetti della fotodegradazione, il team ha testato il nuovo fotocatalizzatore al grafene sugli ossidi di azoto e ha registrato un netto miglioramento della degradazione fotocatalitica degli inquinanti rispetto alla fotocatalizzatore standard. E’ stata anche utilizzata la rodamina B come modello per gli inquinanti organici volatili, poiché la sua struttura molecolare assomiglia molto a quella degli inquinanti emessi dai veicoli, dall’industria e dall’agricoltura. I ricercatori hanno scoperto che il 40% in più di rodamina B è stato degradato dal nanocomposito addizionato al grafene rispetto al quello con solo biossido di titanio, in acqua sotto irradiazione UV.

“L’accoppiamento del grafene alla biossido di titanio ci ha dato ottimi risultati in forma di polvere – e può essere applicato a materiali diversi, di cui il calcestruzzo è un buon esempio per l’uso diffuso, aiutandoci a raggiungere un ambiente più sano. È un fotocatalizatore a bassa manutenzione e rispettoso dell’ambiente, perché richiede solo l’energia solare e nessun altro input,” afferma Goisis. Ma restano delle sfide da affrontare prima che questo possa essere utilizzato su scala commerciale. Sono necessari metodi più economici per produrre grafene in serie. È necessario approfondire le interazioni tra il catalizzatore e il materiale ospite, nonché studiare la stabilità a lungo termine del fotocatalizzatore nell’ambiente esterno.

Misure fatte con spettroscopia di assorbimento ultraveloce hanno rivelato un processo di trasferimento di elettroni dal titanio ai fiocchi di grafene, che riduce il tasso di ricombinazione della carica e aumenta l’efficienza della fotoproduzione di specie reattive, il che significa che più molecole inquinanti potrebbero essere degradate.

Xinliang Feng, che coordina le attività di Graphene Flaghsip su Schiume funzionali e rivestimenti, spiega: “La fotocatalisi in una matrice cementizia, applicata agli edifici, potrebbe avere un grande effetto per ridurre l’inquinamento atmosferico riducendo gli NOx e permettendo l’auto-pulizia delle superfici – il cosiddetto effetto “magia-smog”. Il grafene potrebbe contribuire a migliorare il comportamento fotocatalitico di catalizzatori come il biossido di titanio e a migliorare le proprietà meccaniche del cemento. In questa pubblicazione, i partner di Graphene Flagship hanno preparato il composito di grafene- biossido di titanio attraverso una procedura unica per ampliare e migliorare l’invenzione rivoluzionaria del cemento “magia-smog””.

Enrico Borgarello, Global Product Innovation Director di Italcementi, parte del Heidelberg Cement Group, uno dei maggiori produttori di cemento al mondo, commenta: “L’integrazione del grafene per creare un nuovo nanocomposito è stata un successo. Il nanocomposito ha mostrato un forte miglioramento nella degradazione fotoatalitica dell’NOx atmosferico, che ha favorito l’azione della biossido di titanio. Si tratta di un risultato molto significativo, e attendiamo con ansia l’implementazione del nanocomposito fototocatalitica per una migliore qualità dell’aria nel prossimo futuro”.

Le ragioni per incorporare la grafene nel cemento non si fermano qui. Italcementi sta lavorando anche su un altro prodotto – un composito in calcestruzzo a grafene conduttivo elettricamente, presentato al Mobile World Congress nel febbraio di quest’anno. Quando è incluso come strato della pavimentazione, può rilasciare calore quando viene attraversato da una corrente elettrica. Goisis commenta: “Si potrebbe riscaldare una stanza, o un marciapiede, senza usare l’acqua di un serbatoio o di una caldaia. Questo apre la porta all’innovazione per le città intelligenti del futuro – in particolare al cemento intelligente,” che potrebbe rilevare tensioni o deformazioni in strutture di cemento e monitorare i difetti strutturali, fornendo segnali di avvertimento se l’integrità strutturale è critica.

Andrea C. Ferrari, responsabile scientifico e tecnologico del Graphene Flagship e presidente del suo Management Panel, aggiunge: “Un numero sempre crescente di aziende sono ora partner o membri associati di Graphene Flagship, in quanto riconoscono il potenziale di tecnologie nuove e migliorate. In questo lavoro Italcementi, leader italiano nel settore dei materiali da costruzione, ha dimostrato una chiara applicazione della grafene per il degrado degli inquinanti ambientali. Ciò non solo può avere vantaggi commerciali, ma soprattutto può giovare alla società, creando un ambiente più pulito e più sano”.

Photocatalytic activity of exfoliated graphite-TiO2 nanocomposites’, Nanoscale, 2019, 11, 19301-19314. G. Guidetti, E.A.A. Pogna, L. Lombardi, F. Tomarchio, I. Polishchuk, R. R. M. Joosten, A. Ianiro, G. Soavi, N. A. J. M. Sommerdijk, H. Friedrich, B. Pokroy, A. K. Ott, M. Goisis, F. Zerbetto, G. Falini, M. Calvaresi, A. C. Ferrari, G. Cerullo and M. Montalti.

[Immagini by courtesy of Graphene Flaghsip]

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