La rimozione degli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) nell’ambiente del suolo è di grande importanza per riparare l’ecosistema danneggiato a lungo termine. Tuttavia, lo scarso processo di trasferimento di massa e la bassa attività catalitica nella maggior parte dei metodi convenzionali portano a un'efficienza di rimozione limitata.
Un team di scienziati ha costruito una struttura nucleo-involucro di idrossiapatite drogata con F con gradiente (HAP@FAP) con l'effetto di accoppiamento di flessoelettricità e piezoelettricità per la degradazione degli IPA nel suolo che fornisce approcci innovativi per la bonifica del suolo. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Industrial Chemistry &Materials .
Lo scarso processo di trasferimento di massa nei metodi convenzionali di bonifica del suolo rimane un fattore significativo che ostacola la loro ulteriore applicazione. Recentemente, la piezocatalisi è stata sviluppata come una nuova tecnologia di conversione dell’energia. La vibrazione meccanica (ultrasuoni o agitazione, ecc.) può indurre una distorsione reticolare dei piezocatalizzatori e accelerare il trasferimento di massa nel sistema del suolo, portando a una maggiore degradazione piezocatalitica degli IPA nel suolo, che mostra un grande potenziale nella bonifica del suolo.
Idrossiapatite (Ca10 (PO4 )6 (OH)2 , HAP), come piezocatalizzatori minerali naturali, presentano vantaggi unici di rispetto ambientale nel campo della bonifica piezocatalitica del suolo. Tuttavia, la sfida più grande è il debole coefficiente piezoelettrico (13–16 V -1 ) di HAP, portando a una bassa attività catalitica.
"Come costruire piezocatalizzatori minerali basati su HAP con elevata attività piezocatalitica per la bonifica del suolo è la direzione degli sforzi del nostro team", spiega Jianmei Lu, professore all'Università di Soochow.
I ricercatori sono riusciti a fabbricare una struttura core-shell HAP@FAP drogata con F con gradiente tramite un semplice metodo di scambio ionico, che ha indotto l'effetto di accoppiamento di piezoelettricità e flessoelettricità mediante gradiente di deformazione integrato per una maggiore attività piezocatalitica.
La degradazione ossidativa del fenantrene (PHE) nel suolo (200 mg kg -1 ) è stato effettuato per valutare le attività piezocatalitiche dei catalizzatori. HAP@FAP ha mostrato l'attività piezocatalitica ottimizzata secondo cui il 79% di PHE può essere degradato sotto vibrazione ultrasonica per 120 minuti. Questo è significativamente superiore all'HAP e all'F-HAP incontaminati con una solida struttura di soluzioni. Inoltre, sono stati studiati gli effetti del dosaggio del catalizzatore, del rapporto acqua/suolo e della potenza degli ultrasuoni sulle prestazioni di degradazione.
Il gruppo di ricerca ha inoltre proposto il possibile meccanismo di degradazione del PHE causato dalla polarizzazione piezoelettrica. Il gradiente di deformazione reticolare generato nella direzione core-shell del gradiente F-doping ha indotto la flessoelettricità e ha migliorato l'attività piezocatalitica.
Sotto continua vibrazione ultrasonica, il campo elettrico polarizzato in HAP@FAP ha spinto i portatori di carica in superficie, generando specie reattive dell'ossigeno per la degradazione ossidativa del PHE infine in CO2 e H2 O, raggiungendo l'obiettivo di un trattamento innocuo degli inquinanti del suolo.
Guardando al futuro, il gruppo di ricerca spera che il loro lavoro possa fornire spunti per la modifica dei catalizzatori piezoelettrici per la bonifica dei terreni contaminati da sostanze organiche dai terreni industriali. "Abbiamo in programma di espanderci ulteriormente per raggiungere l'obiettivo finale dell'applicazione industriale. Il nostro catalizzatore sviluppato può essere potenzialmente applicato in vari terreni industriali contaminati da inquinanti organici persistenti, come i policlorobifenili e la naftalene", ha affermato Lu.
Ulteriori informazioni: Jun Han et al, Flexoelettricità nell'idrossiapatite per la degradazione piezocatalitica migliorata del fenantrene nel suolo, Chimica industriale e materiali (2023). DOI:10.1039/D3IM00093A
Fornito da Chimica industriale e materiali
