“吃雾”的石墨烯复合材料可减少大气污染

来源：中国复合材料学会

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近日消息，欧盟石墨烯旗舰与博洛尼亚大学、米兰理工大学、CNR、NEST、ItalcementiHeidelbergCement Group、以色列理工学院、艾恩德霍芬技术大学和剑桥大学合作开发了石墨烯-二氧化钛光催化剂，在实际污染物测试中，其降解的大气氮氧化物（NOx）比标准二氧化钛纳米颗粒高出70％。

大气污染是一个日益严重的问题，特别是在城市密集的地区和欠发达国家。根据世界卫生组织的统计，每9例死亡中就有1例归因于空气污染引起的疾病。造成这种情况的主要原因是氮氧化物和挥发性化合物等有机污染物，它们主要是由汽车尾气和工业排放产生的。

为了解决该问题，研究人员一直在寻找从大气中去除更多污染物的新方法，而二氧化钛等光催化剂是实现这一目标的好方法。当二氧化钛暴露在阳光下时，它会降解氮氧化物（这对人体健康非常有害）和表面上存在的挥发性有机化合物，将其氧化为惰性或无害的产物。

在实际污染物测试中，石墨烯-二氧化钛复合光催化剂比标准二氧化钛纳米颗粒降解的氮氧化物（NOx）多70％

现在，在意大利海德堡水泥集团的Italcementi的协调下，从事光催化涂层研究的石墨烯旗舰团队开发了一种新型的石墨烯-二氧化钛复合材料，该复合材料的光降解性能比纯二氧化钛要强得多。Italcementi研究协调员Marco Goisis评论说：“我们响应了旗舰的要求，并决定将石墨烯与最常用的光催化剂二氧化钛偶合，以增强光催化作用。”他继续说：“光催化是我们应对环境污染的最有效方法之一，因为该过程不会消耗光催化剂。这是被太阳光激活的反应。”

仅在水和大气压条件下，在二氧化钛纳米粒子存在的情况下，通过对石墨进行液相剥离（生成石墨烯的过程），研究人员制备出了一种新的石墨烯-二氧化钛纳米复合材料，该复合材料可以涂覆在材料表面上以被动去除空气中的污染物。如果将该涂料用于街道或建筑物墙壁上的混凝土表面，产生的无害的光降解产物会被雨或风洗掉，或被人们手动清除。

为了检测其光催化降解效果，该团队检测并记录了新型光催化剂对NOx的降解，与标准二氧化钛相比，其对氮氧化物的光催化降解效果明显改善。该团队还使用罗丹明B作为挥发性有机污染物的模型进行测试，因为其分子结构与汽车、工业和农业排放的污染物的分子结构极为相似。他们发现，在紫外线照射下，石墨烯-二氧化钛复合物降解的罗丹明B比单独的二氧化钛多40％。

“石墨烯与二氧化钛的偶联以粉末形式为我们提供了出色的结果，它可以应用于不同的材料，其中混凝土是广泛使用的一个很好的例子，有助于我们创造更健康的生活环境。它的维护成本低且环保，因为它只需要太阳的能量，而无需其他输入。” Goisis说。但是，要在商业规模上使用它之前，还需要解决一些挑战。需要更便宜的批量生产石墨烯的方法。催化剂和主体材料之间的相互作用研究需要加深，并需要研究光催化剂在室外环境中的长期稳定性。

超快速瞬态吸收光谱法的测量揭示了从二氧化钛到石墨烯薄片的电子转移过程，降低了电荷复合率并提高了反应性物质光产生的效率，这意味着更多的污染物分子可能会被降解。

石墨烯旗舰发泡材料和涂料工作组负责人冯新亮解释说：“应用于水泥的胶结基质中的光催化作用可通过减少NOx并实现表面的自我清洁而对减少空气污染产生重大影响，因此石墨烯可以帮助改善催化剂（如二氧化钛）的光催化行为并增强水泥的机械性能。在发表的论文中，石墨烯旗舰合作伙伴通过一步步骤制备了石墨烯-二氧化钛复合材料，以拓宽和改进“吃雾性”水泥的突破性发明。所制备的复合材料显示出增强的光催化活性，在模型研究中，其降解程度比原始二氧化钛高40％以上，而在相似的过程中，NOx降解程度最高可达70％。此外，使用超快速瞬态吸收光谱法简要研究了这种改善的基础。”

作为全球最大的水泥生产商之一的海德堡水泥集团旗下的Italcementi公司全球产品创新总监Enrico Borgarello表示：“将石墨烯整合到二氧化钛中制成新的纳米复合材料是成功的。纳米复合材料显示出光催化性能的显着改善大气中NOx的降解增强了二氧化钛的作用。这是非常重要的结果，我们期待在不久的将来实现光催化纳米复合材料的使用，以改善空气质量。”

将石墨烯掺入混凝土的原因并不仅限于此。Italcementi还在开发另一种产品-导电石墨烯混凝土复合材料，该产品已于今年2月的世界移动大会上展出。当作为地板的一层包括在内时，当电流通过时会释放热量。戈西斯评论道：“您无需使用储水箱或锅炉中的水就可以加热房间或人行道。这为未来的智慧城市-尤其是自感应混凝土-打开了创新之门，”它可以检测压力或压力。应变混凝土结构并监测结构缺陷，如果结构完整性接近失效，会发布警告信号。

石墨烯旗舰产品的科学技术官兼管理小组主席Andrea C. Ferrari补充说：“现在越来越多的公司成为石墨烯旗舰产品的合作伙伴或准成员，因为他们认识到新的和潜在的潜力。在这项工作中，意大利建筑材料领域的负责人Italcementi展示了石墨烯在环境污染物降解中的明确应用，不仅可以带来商业利益，而且最重要的是，通过产生石墨烯可以给社会带来好处。在更清洁，更健康的环境中。”

论文信息：

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

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