Замърсяването на въздуха е най -големият екологичен риск за човешкото здраве, според СЗО, което убива седем милиона души по света всяка година. Ето защо Европейската комисия си е поставила цел за намаляване наполовина на преждевременните смъртни случаи, причинени от замърсяването на въздуха, преди 2030 г. Свързани с преследването на тази цел, изследователите от Graphene Flagship изследват потенциала на графена в приложения като сензори, покрития и пяна.
Терминът замърсяване на въздуха означава промяна на вътрешната или външната среда от химически, физични или биологични замърсители. Типичните източници включват бензинови и дизелови превозни средства, промишлени предприятия и пожари. Най-честите замърсители, които предизвикват безпокойство, включват газове като въглероден оксид, азотни оксиди (или NOX) и серен диоксид, както и прахови частици. Замърсяването на въздуха е вредно както за околната среда, така и за общественото здраве, като увеличава броя на смъртните случаи поради инсулт, сърдечни заболявания, хронична обструктивна белодробна болест, рак на белия дроб и остри респираторни инфекции.
Въпреки големия напредък в намаляването на замърсяването на въздуха през последните 30 години, нивата в някои части на Европа остават неприемливо високи, с над 350 000 преждевременни смъртни случаи, причинени от замърсяването на въздуха през 2021 г. – това е почти 10% от общите смъртни случаи. Около 90 процента от жителите на европейските градове са изложени на вредни нива на замърсяване на въздуха и с нарастването и застаряването на градското население на Европа — следователно става по-чувствително към замърсяването на въздуха — тази заплаха за общественото здраве ще става все по-спешна.
Правителствата и организациите по света превръщат справянето със замърсяването на въздуха в свой основен приоритет. Освен европейските цели, няколко от целите на ООН за устойчиво развитие (ЦУР) се занимават конкретно с този проблем, например значително намаляване на броя на смъртните случаи и заболявания от замърсяването на въздуха или намаляване на въздействието на градовете върху околната среда чрез подобряване на качеството на въздуха.
В Graphene Flagship се провеждат изследвания за използване на свойствата на графена и слоестите материали в ново поколение сензори, пяна и покрития, които могат да допринесат или за наблюдение на качеството на въздуха, или да помогнат за подобряването му.
Мониторинг на качеството на въздуха с графен
Качеството на въздуха може да се промени драстично дори в малки райони, например една улица може да е в рамките на безопасните нива, докато следващата драстично ги надвишава. За да се помогне на правителствата да подобрят качеството на въздуха в даден град, е необходимо точно картографиране на замърсяването – в края на краищата, разбирането на даден проблем е първата стъпка към разрешаването му. Единият вариант са малки, рентабилни сензори, които могат да бъдат инсталирани из града и да предоставят данни в реално време. Тези сензори могат дори да бъдат интегрирани в мобилни устройства или носими устройства, като информират хората и им позволяват да вземат лични решения, когато става въпрос за замърсяването на въздуха, като например промяна на маршрутите за ходене или носене на маска, ако е необходимо.
Като част от Graphene Flagship, изследователите са разработили този вид сензор за качеството на въздуха, който използва свойствата на графена, за да създаде компактни, нискоенергийни сензори, способни да откриват азотен диоксид в реално време. Проектът е сътрудничество между водещите партньори на Graphene в Националната физическа лаборатория, Обединеното кралство, и Технологичния университет Чалмърс, Швеция, заедно с колеги от Advanced Institute of Technology, Обединеното кралство, Royal Holloway University, Обединеното кралство, и Linköping University, Швеция.
Азотният диоксид, произведен от изгарянето на изкопаеми горива, причинява възпаление на дихателните пътища, което може да доведе до проблеми с дишането и астматични пристъпи. Изследванията дори свързват експозицията на азотен диоксид и други NOX с детското затлъстяване и деменция. Обикновено замърсяването на въздуха се наблюдава с помощта на хемилуминесценция, което изисква голямо и скъпо лабораторно оборудване и детектори за метални оксиди, които нямат чувствителност. За разлика от това, този нов базиран на графен сензор е едновременно малък и точен, като отчита нивата на замърсители въз основа на промените в неговото електрическо съпротивление.
Когато азотният диоксид от въздуха се абсорбира от графеновия слой в сензора, електроните се изтеглят от графена, променяйки промените в съпротивлението му. Това създава записваем сигнал, използвайки много проста електроника. Опростеността на устройството означава, че малки, налични в търговската мрежа сензори могат лесно да бъдат адаптирани и надградени, като се използват сензори с активиран графен.
Край на смога
Графенът е не само полезен, за да ни помогне да разберем по-добре замърсяването на въздуха в нашите малки и големи градове, но може да ни помогне и да го намалим. Фотокатализаторите, като титания, разграждат азотните оксиди, когато са изложени на слънчева светлина, като ги окисляват до инертни или безвредни продукти. Тъй като реакцията се активира от слънчева светлина, тя нито изразходва фотокатализатора, нито изисква допълнителен източник на енергия, което я прави ефективен начин за обезвреждане на околната среда. Тези фотокатализатори могат да се нанасят върху повърхностите на сградите и по този начин да се намали количеството азотни оксиди във въздуха, както и да се получи самопочистващо се покритие, разяждащо смога.
Водещите изследователи на Graphene, координирани от Italcementi от HeidelbergCement Group, Италия, са разработили композит графен-титаний, който е много по-мощен от титания сам. Чрез извършване на ексфолиация в течна фаза за създаване на графен в присъствието на наночастици от титан – използвайки само вода и атмосферно налягане – екипът създаде нов нанокомпозит графен-титан, който, когато се прилага като покритие, може пасивно да премахва замърсителите от въздуха. Установено е, че композитът от графен и титан е с 40 процента по-ефективен от титания самостоятелно и под формата на прах може да се прилага върху различни материали, включително бетон.
Замърсяването на въздуха е една от най-големите заплахи за общественото здраве, пред които е изправена Европа. Но, както при всеки проблем, пред който е изправено обществото, изследванията и иновациите могат да имат отговор. Графеновите технологии като компактни сензори за NO 2 или фотокатализатори или запълват празнина на пазара, или правят съществуващ продукт много по-ефективен. Пълното комерсиализиране на тези технологии представлява вълнуваща стъпка към превръщането на градската среда в по-чиста и по-безопасна за жителите.