Nye mineralske piezokatalysatorer tilbyder innovative tilgange til jordrensning

Fjernelse af polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er) i jordmiljøet er af stor betydning for reparation af det langsigtede beskadigede økosystem. Imidlertid fører den dårlige masseoverførselsproces og lave katalytiske aktivitet i de fleste konventionelle metoder til begrænset fjernelseseffektivitet.

Et team af forskere har konstrueret en gradient F-doping hydroxyapatit kerne-skal struktur (HAP@FAP) med koblingseffekten af ​​flexoelektricitet og piezoelektricitet til nedbrydning af PAH'er i jord, der giver innovative tilgange til jordrensning. Deres arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Industrial Chemistry &Materials .

Den dårlige masseoverførselsproces i konventionelle jordrensningsmetoder er fortsat en væsentlig faktor, der hæmmer deres videre anvendelse. For nylig er piezokatalyse blevet udviklet som en ny energikonverteringsteknologi. Den mekaniske vibration (ultralyd eller omrøring osv.) kan inducere gitterforvrængning af piezokatalysatorer og accelerere masseoverførsel i jordsystemet, hvilket fører til øget piezokatalytisk nedbrydning af PAH'er i jorden, hvilket viser et stort potentiale i jordrensning.

Hydroxyapatit (Ca₁₀ (PO₄ )₆ (OH)₂ , HAP), som naturlige mineralske piezokatalysatorer, udviser unikke fordele ved miljøvenlighed inden for piezokatalytisk jordrensning. Den største udfordring er dog den svage piezoelektriske koefficient (1-16 pm V ^-1 ) af HAP, hvilket fører til lav katalytisk aktivitet.

"Hvordan man konstruerer HAP-baserede mineralske piezokatalysatorer med høj piezokatalytisk aktivitet til jordrensning er retningen for vores teams indsats," forklarer Jianmei Lu, professor ved Soochow University.

Forskerne har med succes fremstillet en gradient F-doping HAP@FAP kerne-skal struktur via en simpel ionbytningsmetode, som inducerede koblingseffekten af ​​piezoelektricitet og flexoelektricitet ved indbygget strain gradient for forbedret piezokatalytisk aktivitet.

Den oxidative nedbrydning af phenanthren (PHE) i jord (200 mg kg ^-1 ) blev udført for at evaluere de piezokatalytiske aktiviteter af katalysatorer. HAP@FAP udviste den optimerede piezokatalytiske aktivitet, at 79% PHE kan nedbrydes under ultralydsvibrationer i 120 min. Dette er væsentligt bedre end uberørt HAP og F-HAP med en solid løsningsstruktur. Derudover blev virkningerne af katalysatordosering, vand-til-jord-forhold og ultralydseffekt på nedbrydningsydelsen undersøgt.

Forskerholdet foreslog også den mulige mekanisme for PHE-nedbrydning forårsaget af piezoelektrisk polarisering. Gitterstammegradienten genereret i gradienten F-doping kerne-skal retning induceret flexoelektricitet forbedret piezokatalytisk aktivitet.

Under kontinuerlig ultralydsvibration drev det polariserede elektriske felt i HAP@FAP ladningsbærere til overfladen og genererede reaktive oxygenarter til oxidativ nedbrydning af PHE til sidst til CO₂ og H₂ O, at nå målet om harmløs behandling af jordforurenende stoffer.

Når vi ser fremad, håber forskerholdet, at deres arbejde kan give indsigt i modifikationen af ​​piezoelektriske katalysatorer til oprensning af organisk forurenet jord fra industrigrunde. "Vi planlægger næste gang at opskalere for at nå det endelige mål med industriel anvendelse. Vores udviklede katalysator kan potentielt anvendes i forskellige persistente organiske forurenende stoffer, der er forurenet industriområder, såsom polychlorerede biphenyler og naphthalen," sagde Lu.

Flere oplysninger: Jun Han et al., Flexoelectricity in hydroxyapatite for den forbedrede piezokatalytiske nedbrydning af phenanthrene i jord, Industrial Chemistry &Materials (2023). DOI:10.1039/D3IM00093A

Leveret af Industrial Chemistry &Materials