Le immagini SEM rivelano che rispetto alle particelle poco impacchettate nell'HAp grezzo, Gli HAp trattati meccanochimicamente mostrano agglomerati di particelle ravvicinate la cui dimensione cresce con l'aumentare del diametro della sfera. Il modello I(300)/I(200) mostra che la personalizzazione della superficie avviene prevalentemente sul piano c. Credito::Takashi Shirai del Nagoya Institute of Technology
Uno dei mali più importanti della rapida industrializzazione è stata l'emissione di inquinanti tossici nella biosfera circostante, con conseguenze spesso disastrose per gli esseri umani. Diversi processi industriali, come la produzione chimica e la stampa, insieme a strutture come le centrali elettriche emettono composti organici volatili (VOC) noti per essere cancerogeni e sollevano un importante problema ambientale che necessita di una soluzione. Tradizionalmente, I COV sono controllati tramite un processo chiamato ossidazione catalitica, in cui si trasformano in materiali benigni in presenza di metallo nobile (es. oro, d'argento, e platino) nanoparticelle. Però, il processo è costoso e richiede una messa a punto delle caratteristiche delle nanoparticelle. Così, un processo catalitico che non richieda catalizzatori di metalli nobili è altamente desiderabile. Mentre i metalli di transizione e i loro ossidi sono una possibile alternativa, richiedono sintesi complesse e un preciso controllo della composizione chimica.
Così, possiamo fare di meglio? risulta, noi possiamo. Un team di scienziati guidato dal Prof. Takashi Shirai del Nagoya Institute of Technology (NITech), Giappone, riportato una completa decomposizione catalitica di VOC utilizzando un composto inorganico chiamato idrossiapatite (HAp), una forma naturale del fosfato di calcio minerale che costituisce la maggior parte della struttura ossea umana. "HAp è fatto di elementi abbondanti in natura, non è tossico e presenta un'elevata biocompatibilità. I nostri risultati, così, ha aperto una nuova possibilità per la progettazione a buon mercato, catalizzatori privi di metalli nobili per il controllo dei COV, "dice il prof. Shirai.
In un nuovo studio pubblicato su Rapporti scientifici , Il Prof. Shirai e il suo collega Yunzi Xin di NITech ora vanno oltre, adattando la superficie attiva di HAp utilizzando un trattamento meccanochimico in condizioni ambientali che porta a un'ossidazione catalitica altamente efficiente di VOC con conversione del 100% in composti innocui! Nello specifico, hanno miscelato l'HAp iniziale con le sfere di ceramica in un recipiente e hanno condotto la macinazione planetaria a sfere a temperatura ambiente e pressione ambiente. Ciò ha sostanzialmente alterato la struttura chimica dell'HAp e ha permesso la sua personalizzazione selettiva semplicemente cambiando la dimensione della palla.
Gli scienziati hanno studiato il cambiamento della struttura chimica dell'HAp dopo la macinazione a biglie tramite la caratterizzazione XPS e dalle osservazioni hanno concluso che il processo meccanochimico crea difetti superficiali/vacanze di ossigeno prevalentemente nel sito PO43. Credito:Takashi Shirai del Nagoya Institute of Technology
Utilizzando sfere di dimensioni diverse (3, 10, e 15 mm) per variare sistematicamente la morfologia, cristallinità, difetti superficiali/vacanza di ossigeno, acidità/basicità, e VOC affinità di HAps, gli scienziati hanno effettuato la loro caratterizzazione utilizzando varie tecniche come la microscopia elettronica a scansione, diffrazione di raggi X su polvere, Spettrometria infrarossa a trasformata di Fourier, Spettroscopia fotoelettronica a raggi X, analisi di risonanza di spin elettronico, valutazione dell'acidità/basicità superficiale, e spettroscopia a trasformata di Fourier dell'infrarosso a riflettanza diffusa a flusso di gas.
Hanno osservato una predominanza della formazione di vacanze di ossigeno nel sito PO43- (PO4 a tripla carica) insieme a una popolazione di siti basici potenziata causata da un'attivazione meccanochimica selettiva del piano c (piano perpendicolare all'asse di simmetria) del cristallo esagonale HAp e attribuito all'eccellente conversione catalitica di VOC in CO 2 /CO.
Inoltre, hanno scoperto che gli HAps trattati con sfere da 3 mm hanno mostrato un'attività catalitica superiore rispetto a quella trattata con sfere da 10 e 15 mm, anche se le palle più grandi causavano più difetti e basicità. Osservando l'assorbimento superficiale di un VOC, acetato di etile, gli scienziati hanno attribuito questa anomalia all'inibizione dell'assorbimento dell'acetato di etile nell'HAp trattato con palline più grandi, portando a una catalisi soppressa.
(a) mostra gli spettri di risonanza di spin dell'elettrone in situ di HAp grezzo e HAp trattato meccanochimicamente con sfere da 3 mm. (b) mostra lo schema dell'ossidazione catalitica di VOC sulla superficie meccanochimicamente adattata di HAp. (c) mostra la conversione CO2/CO di VOC a diverse temperature per HAp grezzo e test ciclico di decomposizione di VOC su HAp trattato con sfere da 3 mm. Da un) , (b) e (c), è stato indicato che rispetto all'HAp grezzo, tutti gli HAp attivati hanno iniziato a decomporre i VOC a temperature più basse. Credito:Takashi Shirai del Nagoya Institute of Technology
I risultati hanno entusiasmato gli scienziati sulle prospettive future di HAps. "Ci aspettiamo che il nostro catalizzatore contribuirà in modo significativo al controllo dei COV e alla pulizia ambientale in tutto il mondo entro il prossimo decennio, raggiungere gli obiettivi sostenibili di aria e acqua pulite, energia a prezzi accessibili, e azione per il clima, " commenta il prof. Shirai.
Infatti, questo è un enorme passo avanti verso una società più ecologica.
