Graphene Flagship, in collaborazione con l'Università di Bologna, Politecnico di Milano, CNR, NEST, Italcementi HeidelbergCement Group, l'Istituto israeliano di tecnologia, l'Università di tecnologia Eindhoven e l'Università di Cambridge, ha 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 principalmente dagli scarichi dei veicoli e dall'industria.
Per affrontare questo problema, la scienza è alla continua ricerca di nuovi modi per rimuovere molti inquinanti dall'atmosfera e i fotocatalizzatori come il biossido di titanio sono un ottimo modo per farlo. Quando il 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.
Il team di ricercatori di Graphene Flagship che lavora sui rivestimenti fotocatalitici, coordinato dall'azienda 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 titanio. "Abbiamo deciso di accoppiare il grafene con il fotocatalizzatore più usato, il biossido di titanio, per incrementare l'azione fotocatalitica", commenta Marco Goisis, coordinatore della ricerca di Italcementi. "La fotocatalisi è uno dei modi più potenti che abbiamo per disinquinare l'ambiente poiché il processo non consuma i fotocatalizzatori. È una reazione attivata dalla luce solare", continua.
Eseguendo l'esfoliazione in fase liquida della grafite - un processo che crea grafene - in presenza di nanoparticelle di biossido di titanio e utilizzando solo acqua e pressione atmosferica, hanno creato un nuovo nanocomposito di grafene-titanio che può essere utilizzato come rivestimento sulla superficie dei materiali per rimuovere passivamente gli inquinanti dall'aria. Se il rivestimento è applicato sul cemento delle strade o sulle pareti degli edifici, i prodotti innocui della fotodegradazione possono essere eliminati dalla pioggia o dal vento oppure rimossi manualmente.
Per misurare gli effetti della fotodegradazione, il team ha testato il nuovo fotocatalizzatore sugli ossidi di azoto e ha registrato un netto miglioramento della degradazione fotocatalitica degli ossidi di azoto rispetto al titanio standard. È 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 composito in grafene-titanio rispetto a quello in solo titanio, in acqua sotto irradiazione UV.
"L'accoppiamento del grafene con il biossido di titanio ha dato ottimi risultati sotto forma di polvere - e potrebbe essere applicato su diversi materiali aiutandoci a ottenere un ambiente più sano. Di questi materiali, il calcestruzzo è un buon esempio per uso diffuso. Non richiede manutenzione ed è ecologico in quanto richiede solamente l'energia solare", sostiene Goisis. Ma ci sono sfide da affrontare prima che questa soluzione possa essere utilizzata su scala commerciale: sono necessari metodi più economici per produrre il grafene in serie. Inoltre, è necessario approfondire le interazioni tra il catalizzatore e il materiale ospite, nonché studiare la stabilità a lungo termine del fotocatalizzatore nell'ambiente esterno.
Le misurazioni ultraveloci della spettroscopia di assorbimento transitorio hanno rivelato un processo di trasferimento di elettroni dal titanio 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, Work Package Leader per il segmento Functional Foams and Coatings di Graphene Flagship, spiega: "la fotocatalisi in una matrice cementizia, applicata sugli edifici, potrebbe ridurre fortemente l'inquinamento atmosferico riducendo gli NOx e permettendo l'auto-pulizia delle superfici - il cosiddetto effetto "mangia-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 un composito di grafene-titanio attraverso una procedura monofase per ampliare e migliorare l'invenzione rivoluzionaria del cemento "mangia-smog". Il composito preparato ha mostrato una maggiore attività fotocatalitica, degradando fino al 40% in più di inquinanti rispetto al titanio incontaminato nello studio 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 mediante la spettroscopia di assorbimento transitorio ultraveloce".
Enrico Borgarello, Global Product Innovation Director di Italcementi, parte del gruppo Heidelberg Cement, uno dei maggiori produttori di cemento al mondo, commenta: "L'integrazione del grafene nel titanio per creare un nuovo nanocomposito è stata un successo. Esso ha mostrato un forte miglioramento nella degradazione fotocatalitica dell'NOx atmosferico, favorendo l'azione del biossido di titanio. Si tratta di un risultato molto significativo, e attendiamo l'implementazione del nanocomposito fotocatalitico per ottenere in un futuro prossimo, una migliore qualità dell'aria".
I motivi per incorporare il grafene nel cemento non finiscono qui. Italcementi sta anche lavorando a un altro prodotto: il composito cementizio al grafene elettricamente conduttivo, che è stato presentato al Mobile World Congress a febbraio di quest'anno. Se inserito come strato nel pavimento può rilasciare calore quando è attraversato da corrente elettrica. Goisis commenta: "Si potrebbe riscaldare una stanza o un pavimento senza usare l'acqua proveniente da un serbatoio o da una caldaia. Questo apre le porte all'innovazione per le città intelligenti del futuro - in particolare al cemento self-sensing," il quale potrebbe rilevare tensioni o deformazioni in strutture cementizie e monitorare i difetti strutturali, fornendo segnali di avvertimento se l'integrità strutturale diventa critica.
Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer di Graphene Flagship e presidente del Management Panel dell'azienda, 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 innovative. In questo lavoro Italcementi, leader italiano nel settore dei materiali da costruzione ha dimostrato una chiara applicazione del 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 sano".
Riferimenti
'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.