05.12.2019 - Università di Bologna

Smogfressender Graphenverbundstoff reduziert Luftverschmutzung

Graphene Flagship hat in Partnerschaft mit der Universität Bologna, des Politecnico di Milano, CNR, NEST, Italcementi HeidelbergCement Group, des Israel Institute of Technology, der Eindhoven University of Technology und der University of Cambridge einen Graphen-Titandioxid-Photokatalysator entwickelt, der bis zu 70% mehr atmosphärische Stickoxide (NOx) abbaut als herkömmliche Titanium-Nanopartikel in Tests an realen Schadstoffen.

Die Luftverschmutzung stellt ein zunehmendes Problem dar, insbesondere in städtischen Gebieten und in weniger entwickelten Ländern. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation ist jeder neunte Todesfall auf Krankheiten zurückzuführen, die durch Luftverschmutzung verursacht werden. Organische Schadstoffe wie Stickoxide und flüchtige Verbindungen sind die Hauptursache dafür, und sie werden hauptsächlich von Fahrzeugabgasen und der Industrie emittiert.

Um das Problem anzugehen, sind die Forscher ständig auf der Suche nach neuen Wegen, um mehr Schadstoffe aus der Atmosphäre zu entfernen, und Fotokatalysatoren wie Titanoxid sind eine gute Möglichkeit, dies zu tun. Wenn Titanoxid dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, baut es Stickoxide - die für die menschliche Gesundheit sehr schädlich sind - und flüchtige organische Verbindungen an der Oberfläche ab und oxidiert sie zu inerten oder harmlosen Produkten.

Nun hat das Graphene Flagship-Team, das an photokatalytischen Beschichtungen arbeitet und von Italcementi, HeidelbergCement Group, Italien, koordiniert wird, ein neues Graphen-Titan-Verbundmaterial entwickelt, das deutlich leistungsfähigere photodegradierende Eigenschaften aufweist als blankes Titanoxid. "Wir folgten dem Ruf des Flaggschiffs und beschlossen, Graphen mit dem am häufigsten verwendeten Photokatalysator, Titanoxid, zu koppeln, um die photokatalytische Wirkung zu verstärken", kommentiert Marco Goisis, Forschungskoordinator bei Italcementi. "Die Photokatalyse ist eine der wirkungsvollsten Möglichkeiten, die Umwelt zu entlasten, da der Prozess die Photokatalysatoren nicht verbraucht. Es ist eine Reaktion, die durch Sonnenlicht aktiviert wird", fährt er fort.

Durch die Flüssigphasen-Exfoliation von Graphit - ein Prozess, der Graphen erzeugt - in Gegenwart von Titandioxid-Nanopartikeln unter Verwendung von nur Wasser und Atmosphärendruck entstand ein neuer Graphen-Titanoxid-Nanokomposit, der auf die Oberfläche von Materialien aufgebracht werden kann, um passiv Schadstoffe aus der Luft zu entfernen. Wird die Beschichtung auf Beton auf der Straße oder an den Wänden von Gebäuden aufgebracht, können die harmlosen Photoabbauprodukte durch Regen oder Wind weggespült oder manuell gereinigt werden.

Um die Photodegradationseffekte zu messen, testete das Team den neuen Photokatalysator gegen NOx und verzeichnete eine deutliche Verbesserung des photokatalytischen Abbaus von Stickoxiden im Vergleich zu Standard-Titanoxid. Sie verwendeten auch Rhodamin B als Modell für flüchtige organische Schadstoffe, da seine Molekularstruktur der von Fahrzeugen, Industrie und Landwirtschaft emittierten Schadstoffe sehr ähnlich ist. Sie fanden heraus, dass 40% mehr Rhodamin B durch den Graphen-Titan-Verbundstoff abgebaut wurde als durch Titanoxid allein, in Wasser unter UV-Bestrahlung. "Die Kopplung von Graphen an Titandioxid hat uns hervorragende Ergebnisse in Pulverform gebracht - und es konnte auf verschiedene Materialien angewendet werden, von denen Beton ein gutes Beispiel für die breite Anwendung ist und uns hilft, eine gesündere Umwelt zu erreichen. Es ist wartungsarm und umweltfreundlich, da es nur die Energie der Sonne benötigt und keinen anderen Input benötigt", sagt Goisis. Aber es gibt Herausforderungen, die angegangen werden müssen, bevor diese im kommerziellen Maßstab genutzt werden können. Es werden kostengünstigere Methoden zur Massenproduktion von Graphen benötigt. Die Wechselwirkungen zwischen dem Katalysator und dem Wirtsmaterial müssen vertieft werden, ebenso wie Studien über die Langzeitstabilität des Photokatalysators im Außenbereich.

Ultrakurze Messungen der transienten Absorptionsspektroskopie ergaben einen Elektronenübertragungsprozess von Titandioxid zu den Graphenflocken, der die Ladungsrekombinationsrate senkte und die Effizienz der Photoproduktion reaktiver Spezies erhöhte - was bedeutet, dass mehr Schadstoffmoleküle abgebaut werden konnten.

Xinliang Feng, Graphene Flagship Work Package Leader for Functional Foams and Coatings, erklärt: "Die Photokatalyse in einer zementgebundenen Matrix, die auf Gebäude aufgebracht wird, könnte eine große Wirkung auf die Verringerung der Luftverschmutzung haben, indem sie NOx reduziert und eine Selbstreinigung der Oberflächen ermöglicht - den sogenannten "smogfressenden" Effekt. Graphen könnte helfen, das photokatalytische Verhalten von Katalysatoren wie Titanoxid zu verbessern und die mechanischen Eigenschaften von Zement zu verbessern. In dieser Veröffentlichung haben die Graphene Flagship-Partner ein Graphen-Titania-Komposit in einem einstufigen Verfahren erstellt, um die bahnbrechende Erfindung des "smogfressenden" Zements zu erweitern und zu verbessern. Der vorbereitete Verbundwerkstoff zeigte eine erhöhte photokatalytische Aktivität, die in der Modellstudie bis zu 40% mehr Schadstoffe als unverfälschtes Titandioxid und mit einem ähnlichen Verfahren bis zu 70% mehr NOx abbaute. Darüber hinaus wurde der dieser Verbesserung zugrunde liegende Mechanismus kurzzeitig mit Hilfe der ultraschnellen transienten Absorptionsspektroskopie untersucht."

Enrico Borgarello, Global Product Innovation Director bei Italcementi, Teil des HeidelbergCement Konzerns, kommentiert: "Die Integration von Graphen in Titanoxid zur Herstellung eines neuen Nanokomposits war ein Erfolg. Der Nanokomposit zeigte eine starke Verbesserung des photokatalytischen Abbaus von atmosphärischem NOx, wodurch die Wirkung von Titanoxid verstärkt wurde. Dies ist ein sehr wichtiges Ergebnis, und wir freuen uns auf die Umsetzung des photokatalytischen Nanokomposits für eine bessere Luftqualität in naher Zukunft."

Die Gründe, Graphen in Beton einzubauen, hören hier nicht auf. Italcementi arbeitet auch an einem weiteren Produkt - einem elektrisch leitfähigen Graphen-Beton-Verbund, der auf dem Mobile World Congress im Februar dieses Jahres vorgestellt wurde. Wenn es als Schicht in Bodenbelägen verwendet wird, kann es Wärme abgeben, wenn ein elektrischer Strom durch ihn geleitet wird. Goisis Kommentare: "Du könntest deinen Raum oder den Bürgersteig heizen, ohne Wasser aus einem Tank oder Kessel zu verwenden. Dies öffnet die Tür zu Innovationen für die Smart Cities der Zukunft - insbesondere für selbsterkennenden Beton", der Spannungen oder Dehnungen in Betonbauwerken erkennen und auf Strukturfehler überwachen könnte und Warnsignale liefert, wenn die strukturelle Integrität kurz vor dem Ausfall steht.

Andrea C. Ferrari, Wissenschafts- und Technologieoffizier des Graphen-Flaggschiffs und Vorsitzender des Management Panels, fügt hinzu: "Immer mehr Unternehmen sind heute Partner oder assoziierte Mitglieder des Graphene Flagship, da sie das Potenzial für neue und verbesserte Technologien erkennen. In dieser Arbeit zeigte Italcementi, Marktführer in Italien im Bereich der Baumaterialien, eine klare Anwendung von Graphen für den Abbau von Umweltschadstoffen. Dies kann nicht nur wirtschaftliche Vorteile haben, sondern vor allem auch den Nutzen für die Gesellschaft, indem es zu einer saubereren und gesünderen Umwelt führt."

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