05.12.2019 - Università di Bologna

El compuesto de grafeno que se alimenta de smog reduce la contaminación atmosférica

Los socios insignia de Graphene, la Universidad de Bolonia, el Politécnico de Milán, CNR, NEST, Italcementi HeidelbergCement Group, el Instituto de Tecnología de Israel, la 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 (NOx) que las nanopartículas de titania estándar en pruebas sobre contaminantes reales.

La contaminación atmosférica es un problema creciente, especialmente en las zonas urbanas y en los países menos desarrollados. Según la Organización Mundial de la Salud, una de cada nueve muertes puede atribuirse a enfermedades causadas por la contaminación del aire. Los contaminantes orgánicos, como los óxidos de nitrógeno y los compuestos volátiles, son la principal causa de ello, y son emitidos principalmente por los escapes de los vehículos y la industria.

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

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

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

Para medir los efectos de la fotodegradación, el equipo probó el nuevo fotocatalizador contra NOx y registró una mejora en la degradación fotocatalítica de los óxidos de nitrógeno en comparación con el titania estándar. También utilizaron la rodamina B como modelo para los contaminantes orgánicos volátiles, ya que su estructura molecular se asemeja mucho a la de los contaminantes emitidos por los vehículos, la industria y la agricultura. Encontraron que un 40% más de rodamina B fue degradada por el compuesto grafeno-titania que por titania sola, en agua bajo irradiación UV. La combinación del grafeno con el titania nos dio excelentes resultados en forma de polvo, y se pudo aplicar a diferentes materiales, de los cuales el concreto es un buen ejemplo para el uso generalizado, ayudándonos a lograr un medio ambiente más saludable". Es de bajo mantenimiento y respetuoso con el medio ambiente, ya que sólo necesita la energía del sol y no necesita ningún otro tipo de aporte", afirma Goisis. Pero hay desafíos que deben abordarse antes de que se pueda utilizar a escala comercial. Se necesitan métodos más baratos para producir grafeno en masa. Es necesario profundizar en las interacciones entre el catalizador y el material huésped, así como en los estudios sobre la estabilidad a largo plazo del fotocatalizador en el entorno exterior.

Las mediciones de espectroscopia de absorción transitoria ultrarrápida revelaron un proceso de transferencia de electrones de titania a las escamas de grafeno, disminuyendo la tasa de recombinación de la carga y aumentando la eficiencia de la fotoproducción de especies reactivas, lo que significa que se podrían degradar más moléculas contaminantes.

Xinliang Feng, Líder en Paquetes de Trabajo para Espumas y Recubrimientos Funcionales de Graphene, explica: "La fotocatálisis en una matriz cementosa, aplicada a los edificios, podría tener un gran efecto para reducir la contaminación atmosférica 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 el 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 mayor actividad fotocatalítica, degradando hasta un 40% más de contaminantes que el titania prístino en el estudio modelo, y hasta un 70% más de NOx con un procedimiento similar. Además, el mecanismo subyacente a esta mejora fue estudiado brevemente usando espectroscopia de absorción transitoria ultrarrápida".

Enrico Borgarello, Director de Innovación Global de Productos de Italcementi, parte del Grupo HeidelbergCement, comenta: "La integración del grafeno en Titania para crear un nuevo nanocompuesto fue un éxito. El nanocompuesto mostró una fuerte mejora en la degradación fotocatalítica del NOx atmosférico, potenciando 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 el grafeno al hormigón no se detienen aquí. Italcementi también está trabajando en otro producto - un compuesto de hormigón de grafeno conductor de electricidad, que fue presentado en el Mobile World Congress en febrero de este año. Cuando se incluye como una capa en el piso, puede liberar calor cuando se pasa una corriente eléctrica a través de él. Comentarios de Goisis: "Podrías calentar tu habitación, o el pavimento, sin usar el agua de un tanque o caldera. Esto abre la puerta a la innovación para las ciudades inteligentes del futuro, particularmente para el concreto autodetector", que podría detectar tensiones o tensiones en las estructuras de concreto y monitorear los defectos estructurales, proporcionando 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 Gestión, añade: "Un número cada vez mayor de empresas son ahora socios o miembros asociados del Graphene Flagship, ya que reconocen el potencial de las nuevas y mejoradas tecnologías. 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 los contaminantes ambientales. Esto no sólo puede tener beneficios comerciales, sino que, lo que es más importante, puede beneficiar a la sociedad al resultar en un medio ambiente más limpio y saludable".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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