نانوکامپوزیت گرافنی ، درمانی برای گازهای گلخانه ای؟!

معضل آلودگی هوا و تولید گازهای گلخانه ای، موضوعی است که از ده ها سال قبل مطرح شده و نگرانی بشر را به دنبال داشته است. با این وجود، هنوز نسخه ای مطمئن برای مقابله با این دشمن خطرناک پیچیده نشده است! گرچه دولت های بزرگ جهان، با ایده جایگزینی سوخت های پاک سعی در کاهش این گازهای گلخانه ای دارند، اما هنوز بین تبدیل این ایده ها به واقعیت، فرسنگ ها فاصله است!

همان طور که می دانید، نقش گازهای گلخانه ای برای کره زمین، دقیقا شبیه نقش لحاف کرسی برای زمستان ماست! پس از تابش نور خورشید به سطح زمین، بخشی از این انرژی به زمین جذب شده و بخش دیگر بازتاب داده می شود. گازهای گلخانه ای با جذب این امواج به خصوص امواج فروسرخ، مانع از خروج آن از اتمسفر می شود که نتیجه آن، گرمایش تدریجی کره زمین است.

در حال حاضر، ایده ای برای کاهش آلودگی های اتمسفری در حال اجرا است که از نانوذرات تیتانیا برای کاهش اکسیدهای نیتروژن های جوی استفاده می شود. با این حال، اخیرا گروهی از دانشمندان راهکاری مبتنی بر استفاده از فتوکاتالیست های گرافن تیتانیا ارائه داده اند که قادر است بیش از 70% اکسید نیتروژن (NOx) موجود در هوا را کاهش دهد! تصور می شود که این نوآوری عامل مهمی در کاهش آلودگی هایی که با سوختن سوخت های فسیلی به هوا افزوده می شوند، خواهد بود.

آلودگی هوا بدتر از هر مریضی کشنده!

مدیر سازمان بهداشت جهانی (WHO)، دکتر Maria Neira، معضل آلودگی هوا را یک فوریت بهداشتی عمومی قلمداد می­ کند. تخمین زده شده است که آلودگی هوا سالانه جان بیش از ۷ میلیون نفر را می­ گیرد. به بیانی بهتر، این مقدار بیشتر از مقادیر مرگ و میر ناشی از بیماری های کشنده ای مثل HIV، مالاریا و سل است. اکسید نیتروژن به همراه ترکیبات فرار، عامل اصلی مرگ و میر ناشی از آلودگی هوا هستند که در حال حاضر عامل مرگ 1 نفر از هر 9 نفر در جهان هستند!

اما در این بین، گرافن چه نقشی بازی می کند؟

در سال ۲۰۰۴ دانشمندان دانشگاه منچستر برای اولین بار گرافن را کشف و جدا کردند. گرافن یک تک لایه از گرافیت، یک دگرشکل کربن است که ضخامت آن تنها به اندازه یک اتم است. این ماده، اولین ماده در جهان لقب گرفت که از دو بعد تشکیل شده بود و به سبب ویژگی های چشم نوازی که داشت، توجه ها را به سمت خود معطوف کرد. جمله این ویژگی ها می توان به استحکام فوق العاده، انعطاف پذیری عالی، هدایت حرارتی بالا و پایداری شیمیایی مناسب اشاره کرد.

از آن پس، این ماده ارزشمند در بسیاری از صنایع مورد توجه قرار گرفت و صنعت انرژی یکی از آن مواردی است که از گرافن بهره مند شد. با استفاده از این ماده در سلول های خورشیدی، قابلیت تولید صفحاتی نرم و انعطاف پذیر مهیا می شود. غشاهای گرافنی با تقلید از فرایند فتوسنتز، هنگام تابش نور خورشید پروتون ها را هدایت کرده و با به دام انداختن انرژِی خورشید، هیدروژن تولید می کنند.

هم چنین ساختار شش ضلعی گرافن، گزینه ای ایده آل برای فیلتر کردن اتم هاست. بدین صورت که این ماده می تواند مولکول های خطرناک متصاعد شده از سوختن سوخت های فسیلی را به دام انداخته و از انتشار گازهای گلخانه ای جلوگیری کند. به همین دلیل، استفاده از گرافن و کامپوزیت های گرافنی در جهت کاهش اکسید جوی نیتروژن، موضوع داغ مطالعه پژوهشگران شده است.

پروژه راهبردی گرافن

این پروژه با همکاری تیم­هایی از دانشگاه های بولونیا، کمبریج، CNR، آیندهوون، پلی­تکنیک میلان، سازمان فناوری اسرائیل و گروه Italcementi HeidelbergCement و نیز NEST در حال اجرا است. در مقاله­ای که در مجله Materials Today منتشر شده است، این تیم درباره چگونگی ایجاد یک ماده کامپوزیتی از گرافین – تیتانیا بحث کرده که ثابت می­شود این ماده در انجام فرآیند تجزیه توسط نور در مقایسه با ماده تیتانیا کارایی بیشتری دارد.

تیتانیا متداول­ترین ماده فوتوکاتالیستی است. این ماده مدت هاست که برای ایجاد مواد کامپوزیتی با خاصیت فوتوکاتالیستی استفاده می­شود. فتوکاتالیز، روشی در راستای مقابله با تاثیرات نامطلوبی است که از فعالیت های بشر بر محیط زیست برجای می ماند.

این تیم تحقیقاتی، به منظور تولید پوشش با خواص بهبود یافته فتوکاتالیستی یک نانوکامپوزیت گرافین – تیتانیا تولید کرده است. بدین صورت که آن ها با لایه برداری از فاز مایع گرافیت، لایه ای از گرافن ایجاد کردند و در ادامه، با افزودن نانوذرات تیتانیا به آن، کامپوزیت جدیدی ساختند.

در مراحل پیشرفته تر، آن ها از این روش برای ایجاد پوششی بر روی سطح مواد مختلف استفاده کردند. با این هدف که این پوشش ها منجر به تجزیه نوری آلاینده های هوا شده و آن ها را به دام بیندازند.

یک ایده جالبی که از دل این پژوهش بیرون آمده است، رنگ آمیزی ساختمان ها با این پوشش ها است. با این کار، این نانوکامپوزیت ها قادر خواهند بود مقادیر بالایی از آلاینده ها را در اتمسفر شهری تجزیه کنند. محصولات این فرآیند تجزیه نوری بر روی سطوح ساختمان می نشینند تا این که به طور طبیعی در اثر باد یا باران شسته و حذف شوند.

در آزمایش این فتوکاتالیست جدید، تیم متوجه آن شد که این روش نسبت به پوشش­های فتوکاتالیستی فعلی در کاهش اکسید نیتروژن ۷۰٪ و رودامین B که به عنوان الگویی برای آلاینده­های آلی فرار استفاده می­شوند، تا ۴۰٪ بهتر عمل می­کنند.

گرافن، تعیین کننده تغییرات آب و هوایی؟؟

با نتایج مناسبی که در استفاده از فوتوکاتالیست گرافین تیتانیا حاصل شد، انتظار می رود که این کامپوزیت، به صورت پودری قابل استفاده در انواع مختلفی از مواد کامپوزیتی از جمله بتن باشد. اگر این ایده مورد توجه قرار گیرد، می توان امید داشت که سطح انتشار گازهای گلخانه ای به طور قابل توجهی کاهش یافته و تاثیرات مخرب زیست محیطی آن، محو شود!

با توجه به فشار موجود برای مقابله با افزایش گازهای گلخانه­ای، صنعت ساخت و ساز در آینده می­تواند به طور عمده تحت تأثیر نوآوری­هایی مانند پروژه راهبردی گرافن قرار بگیرد. بنابراین، در آینده ای نه چندان دور نام این ماده را در صنایع انرژی بیشتر خواهیم شنید …