Desarrollan un compuesto de grafeno que consume 'smog' y reduce la contaminación atmosférica

Graphene Flagship y sus socios de la Universidad de Bolonia, el Politecnico di Milano, 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 óxidos de nitrógeno atmosférico (NOx ) que las nanopartículas de titania estándar en ensayos 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 puede atribuirse a enfermedades causadas por la contaminación del aire. Los contaminantes orgánicos, como los óxidos de nitrógeno y los compuestos volátiles, son la causa principal de esto, y son emitidos principalmente por los gases de los vehículos y la industria.

Para abordar el problema, los investigadores están continuamente buscando nuevas formas de eliminar más contaminantes de la atmósfera, y los fotocatalizadores como la titania son una excelente manera de hacerlo. Cuando la titania o dióxido de titanio se expone a la luz solar, degrada los óxidos de nitrógeno, que son muy perjudiciales 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 la italiana Italcementi, del HeidelbergCement Group, ha desarrollado un nuevo compuesto de grafeno-titania con propiedades de fotodegradación significativamente más potentes que la titania desnuda. "Respondimos a la llamada del buque insignia y decidimos acoplar el grafeno al fotocatalizador más utilizado, titania, para impulsar la acción fotocatalítica", comenta Marco Goisis, coordinador de investigación en Italcementi. "La fotocatálisis es una de las formas más poderosas de eliminar el medio ambiente porque el proceso no consume los fotocatalizadores. Es una reacción activada por la luz solar", continúa.

Al realizar la exfoliación de grafito en fase líquida, 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 desde el aire. Si el revestimiento se aplica al hormigón en la calle o en las paredes de los edificios, la lluvia o el viento podrían lavar los productos de fotodegradación inofensivos, o limpiarlos manualmente.

Para medir los efectos de la fotodegradación, el equipo probó el nuevo fotocatalizador y  registró una mejora sólida en la degradación fotocatalítica de los 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, la industria y la agricultura. Descubrieron que el compuesto de grafeno-titania degradaba un 40% más de rodamina B que el titania solo, en agua bajo irradiación UV.

"El acoplamiento del grafeno a la titania nos dio excelentes resultados en forma de polvo, y podría aplicarse a diferentes materiales, de los cuales el hormigón 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 solo requiere la energía del sol y ninguna otra entrada ", dice Goisis.

Pero hay desafíos que abordar antes de que esto pueda usarse a escala comercial. Se necesitan métodos más baratos para producir grafeno en masa. Deben profundizarse las interacciones entre el catalizador y el material huésped, así como los estudios sobre la 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 desde la titania a las escamas de grafeno, disminuyendo la velocidad de recombinación de carga y aumentando la eficiencia de la fotoproducción de especies reactivas, lo que significa que podrían degradarse más moléculas contaminantes.

Xinliang Feng, líder del equipo de trabajo insignia de grafeno para espumas y recubrimientos funcionales, explica: "La fotocatálisis en una matriz cementosa, aplicada a edificios, podría tener un gran efecto para disminuir la contaminación del aire al reducir el NOx y permitir la autolimpieza de las superficies, el llamado efecto "comer 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 "que come 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. Además, el mecanismo subyacente a esta mejora se estudió brevemente mediante espectroscopía de absorción transitoria ultrarrápida ".

Enrico Borgarello, director de Innovación de Producto en Italcementi, comenta: "La integración del grafeno en la titania para crear un nuevo nanocompuesto fue un éxito. El nanocompuesto mostró una fuerte mejora en el fotocatalítico degradación del NOx atmosférico que aumenta la acción de la titania. Este es un resultado muy significativo, y esperamos con ansias la implementación del nanocompuesto fotocatalítico para una mejor calidad del aire en el futuro”.

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 piso, podría liberar calor cuando una corriente eléctrica pasa a través de él. Goisis comenta: "Podrías calentar tu habitación o el pavimento, sin usar agua de un tanque o caldera. Esto abre la puerta a la innovación para las ciudades inteligentes del futuro, en particular al hormigón auto-sensible", que podría detectar estrés o tensión en estructuras de hormigón y monitoreo de defectos estructurales, proporcionando señales de advertencia si la integridad estructural está próxima a fallar.

Andrea C. Ferrari, oficial de Ciencia y Tecnología de Graphene Flagship y presidenta de su Panel de Gestión, agrega: "Un número cada vez mayor de compañías ahora son socios o miembros asociados de Graphene Flagship, ya que reconocen el potencial para nuevas y tecnologías mejoradas. En este trabajo, Italcementi, líder en Italia en el campo de los materiales de construcción, demostró una aplicación clara de grafeno para la degradación de los contaminantes ambientales. Esto no solo puede tener beneficios comerciales, sino, lo más importante, el beneficio de la sociedad como resultado en un ambiente más limpio y saludable."