Graphene Flagship est partenaire de l'Université de Bologne, Politecnico di Milano, CNR, NID, Italcementi HeidelbergCiment Group, l'Institut israélien de technologie, Université de technologie d'Eindhoven, et l'Université de Cambridge ont développé un photocatalyseur graphène-oxyde de titane qui dégrade jusqu'à 70 % plus d'oxydes d'azote atmosphériques (NO X ) que les nanoparticules d'oxyde de titane standard dans des tests sur de vrais polluants.

La pollution atmosphérique est un problème croissant, en particulier dans les zones urbaines et dans les pays moins développés. Selon l'Organisation mondiale de la santé, un décès sur neuf peut être attribué à des maladies causées par la pollution de l'air. Polluants organiques, tels que les oxydes d'azote et les composés volatils, en sont la principale cause, et ils sont principalement émis par les gaz d'échappement des véhicules et l'industrie.

Pour régler le problème, les chercheurs sont continuellement à la recherche de nouvelles façons d'éliminer plus de polluants de l'atmosphère, et les photocatalyseurs tels que l'oxyde de titane sont un excellent moyen de le faire. Lorsque l'oxyde de titane est exposé au soleil, il dégrade les oxydes d'azote - très nocifs pour la santé humaine - et les composés organiques volatils présents en surface, en les oxydant en produits inertes ou inoffensifs.

Maintenant, l'équipe Graphene Flagship travaillant sur les revêtements photocatalytiques, coordonné par Italcementi, Groupe Ciment Heidelberg, Italie, développé un nouveau composite graphène-oxyde de titane avec des propriétés de photodégradation significativement plus puissantes que l'oxyde de titane nu. "Nous avons répondu à l'appel du Flagship et avons décidé de coupler le graphène au photocatalyseur le plus utilisé, titane, pour booster l'action photocatalytique, " commente Marco Goisis, le coordinateur de recherche chez Italcementi. "La photocatalyse est l'un des moyens les plus puissants dont nous disposons pour dépolluer l'environnement, car le procédé ne consomme pas les photocatalyseurs. C'est une réaction activée par la lumière solaire, " il continue.

En effectuant une exfoliation en phase liquide du graphite - un processus qui crée du graphène - en présence de nanoparticules de dioxyde de titane, en utilisant uniquement de l'eau et la pression atmosphérique, ils ont créé un nouveau nanocomposite graphène-oxyde de titane qui peut être appliqué à la surface des matériaux pour éliminer passivement les polluants de l'air. Si l'enduit est appliqué sur du béton dans la rue ou sur les murs des bâtiments, les produits de photodégradation inoffensifs pourraient être emportés par la pluie ou le vent, ou nettoyé manuellement.

Pour mesurer les effets de photodégradation, l'équipe a testé le nouveau photocatalyseur contre les NOx et a enregistré une nette amélioration de la dégradation photocatalytique des oxydes d'azote par rapport à l'oxyde de titane standard. Ils ont également utilisé la rhodamine B comme modèle pour les polluants organiques volatils, car sa structure moléculaire ressemble beaucoup à celles des polluants émis par les véhicules, l'industrie et l'agriculture. Ils ont constaté que 40% plus de rhodamine B était dégradée par le composite graphène-oxyde de titane que par l'oxyde de titane seul, dans l'eau sous irradiation UV.

« Le couplage du graphène à l'oxyde de titane nous a donné d'excellents résultats sous forme de poudre et il pouvait être appliqué à différents matériaux, dont le béton est un bon exemple d'utilisation généralisée, nous aider à atteindre un environnement plus sain. Il nécessite peu d'entretien et respecte l'environnement, car il ne nécessite que l'énergie du soleil et aucun autre apport, " dit Goisis. Mais il y a des défis à relever avant que cela puisse être utilisé à une échelle commerciale. Des méthodes moins coûteuses pour produire en masse du graphène sont nécessaires. Les interactions entre le catalyseur et le matériau hôte doivent être approfondies ainsi que des études sur le long terme. -stabilité à terme du photocatalyseur dans l'environnement extérieur.

Les mesures de spectroscopie d'absorption transitoire ultrarapide ont révélé un processus de transfert d'électrons de l'oxyde de titane aux flocons de graphène, diminuant le taux de recombinaison de charge et augmentant l'efficacité de la photoproduction d'espèces réactives, ce qui signifie que davantage de molécules polluantes pourraient être dégradées.

Xinliang Feng, Graphene Flagship Work Package Leader pour les mousses et revêtements fonctionnels, explique :« La photocatalyse dans une matrice cimentaire, appliqué aux bâtiments, pourrait avoir un effet important sur la diminution de la pollution de l'air en réduisant les NOx et en permettant l'auto-nettoyage des surfaces, ce que l'on appelle l'effet « dévoreur de smog ». Le graphène pourrait aider à améliorer le comportement photocatalytique de catalyseurs comme l'oxyde de titane et à améliorer les propriétés mécaniques du ciment. Dans cette parution, Les partenaires de Graphene Flagship ont préparé un composite graphène-oxyde de titane via une procédure en une étape pour élargir et améliorer l'invention révolutionnaire du ciment « mangeur de smog ». Le composite préparé a montré une activité photocatalytique améliorée, dégradant jusqu'à 40 % plus de polluants que l'oxyde de titane vierge dans l'étude du modèle, et jusqu'à 70 % de NOx en plus avec une procédure similaire. De plus, le mécanisme sous-jacent à cette amélioration a été brièvement étudié à l'aide de la spectroscopie d'absorption transitoire ultrarapide."

Enrico Borgarello, Directeur Global Innovation Produit chez Italcementi, faisant partie du groupe HeidelbergCement, l'un des plus grands producteurs mondiaux de ciment, commente :"L'intégration du graphène dans l'oxyde de titane pour créer un nouveau nanocomposite a été un succès. Le nanocomposite a montré une forte amélioration de la dégradation photocatalytique des NOx atmosphériques renforçant l'action de l'oxyde de titane. C'est un résultat très significatif, et nous attendons avec impatience la mise en œuvre du nanocomposite photocatalytique pour une meilleure qualité de l'air dans un avenir proche."

Les raisons d'incorporer du graphène dans le béton ne s'arrêtent pas là. Italcementi travaille également sur un autre produit :un composite de béton de graphène électriquement conducteur, qui a été présenté au Mobile World Congress en février de cette année. Lorsqu'il est inclus en tant que couche dans le revêtement de sol, il pourrait dégager de la chaleur lorsqu'un courant électrique le traverse. Goisis commente :« Vous pourriez chauffer votre pièce, ou le trottoir, sans utiliser l'eau d'un réservoir ou d'une chaudière. Cela ouvre la porte à l'innovation pour les villes intelligentes du futur, en particulier au béton auto-sensible, " qui pourrait détecter des contraintes ou des déformations dans les structures en béton et surveiller les défauts structurels, fournissant des signaux d'avertissement si l'intégrité structurelle est proche de la défaillance.

Andrea C. Ferrari, Responsable scientifique et technologique du Graphene Flagship et président de son comité de direction, ajoute :« De plus en plus d'entreprises sont désormais partenaires, ou membres associés du Graphene Flagship, car ils reconnaissent le potentiel des technologies nouvelles et améliorées. Dans ce travail, Italcementi, leader en Italie dans le domaine des matériaux de construction, a démontré une application claire du graphène pour la dégradation des polluants de l'environnement. Cela peut non seulement avoir des avantages commerciaux, mais, le plus important, profit de la société en créant un environnement plus propre et plus sain. »