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“吃霧”的石墨烯復合材料可減少大氣污染

更新于:2019-12-06   來源:   點擊:82次

歐盟石墨烯旗艦與博洛尼亞大學、米蘭理工大學、CNR、NEST、ItalcementiHeidelbergCement Group、以色列理工學院、艾恩德霍芬技術大學和劍橋大學合作開發了石墨烯-二氧化鈦光催化劑,在實際污染物測試中,其降解的大氣氮氧化物(NOx)比標準二氧化鈦納米顆粒高出70%。

大氣污染是一個日益嚴重的問題,特別是在城市密集的地區和欠發達國家。根據世界衛生組織的統計,每9例死亡中就有1例歸因于空氣污染引起的疾病。造成這種情況的主要原因是氮氧化物和揮發性化合物等有機污染物,它們主要是由汽車尾氣和工業排放產生的。

為了解決該問題,研究人員一直在尋找從大氣中去除更多污染物的新方法,而二氧化鈦等光催化劑是實現這一目標的好方法。當二氧化鈦暴露在陽光下時,它會降解氮氧化物(這對人體健康非常有害)和表面上存在的揮發性有機化合物,將其氧化為惰性或無害的產物。

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在實際污染物測試中,石墨烯-二氧化鈦復合光催化劑比標準二氧化鈦納米顆粒降解的氮氧化物(NOx)多70%

現在,在意大利海德堡水泥集團的Italcementi的協調下,從事光催化涂層研究的石墨烯旗艦團隊開發了一種新型的石墨烯-二氧化鈦復合材料,該復合材料的光降解性能比純二氧化鈦要強得多。Italcementi研究協調員Marco Goisis評論說:“我們響應了旗艦的要求,并決定將石墨烯與最常用的光催化劑二氧化鈦偶合,以增強光催化作用。”他繼續說:“光催化是我們應對環境污染的最有效方法之一,因為該過程不會消耗光催化劑。這是被太陽光激活的反應。”

僅在水和大氣壓條件下,在二氧化鈦納米粒子存在的情況下,通過對石墨進行液相剝離(生成石墨烯的過程),研究人員制備出了一種新的石墨烯-二氧化鈦納米復合材料,該復合材料可以涂覆在材料表面上以被動去除空氣中的污染物。如果將該涂料用于街道或建筑物墻壁上的混凝土表面,產生的無害的光降解產物會被雨或風洗掉,或被人們手動清除。

為了檢測其光催化降解效果,該團隊檢測并記錄了新型光催化劑對NOx的降解,與標準二氧化鈦相比,其對氮氧化物的光催化降解效果明顯改善。該團隊還使用羅丹明B作為揮發性有機污染物的模型進行測試,因為其分子結構與汽車、工業和農業排放的污染物的分子結構極為相似。他們發現,在紫外線照射下,石墨烯-二氧化鈦復合物降解的羅丹明B比單獨的二氧化鈦多40%。

“石墨烯與二氧化鈦的偶聯以粉末形式為我們提供了出色的結果,它可以應用于不同的材料,其中混凝土是廣泛使用的一個很好的例子,有助于我們創造更健康的生活環境。它的維護成本低且環保,因為它只需要太陽的能量,而無需其他輸入。” Goisis說。但是,要在商業規模上使用它之前,還需要解決一些挑戰。需要更便宜的批量生產石墨烯的方法。催化劑和主體材料之間的相互作用研究需要加深,并需要研究光催化劑在室外環境中的長期穩定性。

超快速瞬態吸收光譜法的測量揭示了從二氧化鈦到石墨烯薄片的電子轉移過程,降低了電荷復合率并提高了反應性物質光產生的效率,這意味著更多的污染物分子可能會被降解。

石墨烯旗艦發泡材料和涂料工作組負責人馮新亮解釋說:“應用于水泥的膠結基質中的光催化作用可通過減少NOx并實現表面的自我清潔而對減少空氣污染產生重大影響,因此石墨烯可以幫助改善催化劑(如二氧化鈦)的光催化行為并增強水泥的機械性能。在發表的論文中,石墨烯旗艦合作伙伴通過一步步驟制備了石墨烯-二氧化鈦復合材料,以拓寬和改進“吃霧性”水泥的突破性發明。所制備的復合材料顯示出增強的光催化活性,在模型研究中,其降解程度比原始二氧化鈦高40%以上,而在相似的過程中,NOx降解程度最高可達70%。此外,使用超快速瞬態吸收光譜法簡要研究了這種改善的基礎。”

作為全球最大的水泥生產商之一的海德堡水泥集團旗下的Italcementi公司全球產品創新總監Enrico Borgarello表示:“將石墨烯整合到二氧化鈦中制成新的納米復合材料是成功的。納米復合材料顯示出光催化性能的顯著改善大氣中NOx的降解增強了二氧化鈦的作用。這是非常重要的結果,我們期待在不久的將來實現光催化納米復合材料的使用,以改善空氣質量。”

將石墨烯摻入混凝土的原因并不僅限于此。Italcementi還在開發另一種產品-導電石墨烯混凝土復合材料,該產品已于今年2月的世界移動大會上展出。當作為地板的一層包括在內時,當電流通過時會釋放熱量。戈西斯評論道:“您無需使用儲水箱或鍋爐中的水就可以加熱房間或人行道。這為未來的智慧城市-尤其是自感應混凝土-打開了創新之門,”它可以檢測壓力或壓力。應變混凝土結構并監測結構缺陷,如果結構完整性接近失效,會發布警告信號。

石墨烯旗艦產品的科學技術官兼管理小組主席Andrea C. Ferrari補充說:“現在越來越多的公司成為石墨烯旗艦產品的合作伙伴或準成員,因為他們認識到新的和潛在的潛力。在這項工作中,意大利建筑材料領域的負責人Italcementi展示了石墨烯在環境污染物降解中的明確應用,不僅可以帶來商業利益,而且最重要的是,通過產生石墨烯可以給社會帶來好處。在更清潔,更健康的環境中。”

論文信息:

Gloria Guidetti et al, Photocatalytic activity of exfoliated graphite–TiO2 nanoparticle composites, Nanoscale (2019). DOI: 10.1039/c9nr06760d


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