Las imágenes SEM revelan que, en comparación con las partículas sueltas en HAp sin procesar, Los HAps tratados mecanoquímicamente muestran aglomerados de partículas compactas cuyo tamaño crece al aumentar el diámetro de la bola. El patrón I (300) / I (200) muestra que la adaptación de la superficie ocurre predominantemente en el plano c. Crédito:Takashi Shirai del Instituto de Tecnología de Nagoya
Uno de los males más importantes de la rápida industrialización ha sido la emisión de contaminantes tóxicos a la biosfera circundante. con consecuencias a menudo desastrosas para los seres humanos. Varios procesos industriales, como la fabricación e impresión de productos químicos, junto con instalaciones como las plantas de energía, emiten compuestos orgánicos volátiles (COV) que se sabe que causan cáncer y plantean un importante problema ambiental que necesita una solución. Tradicionalmente, Los COV se controlan mediante un proceso llamado oxidación catalítica, en el que se convierten en materiales benignos en presencia de metales nobles (por ejemplo, oro, plata, y platino) nanopartículas. Sin embargo, el proceso es caro y requiere un ajuste fino de las características de las nanopartículas. Por lo tanto, es muy deseable un proceso catalítico que no requiera catalizadores de metales nobles. Si bien los metales de transición y sus óxidos son una posible alternativa, requieren síntesis complejas y un control preciso de la composición química.
Entonces, ¿Podemos hacerlo mejor que esto? Resulta, podemos. Un equipo de científicos dirigido por el profesor Takashi Shirai del Instituto de Tecnología de Nagoya (NITech), Japón, informó una descomposición catalítica completa de COV utilizando un compuesto inorgánico llamado hidroxiapatita (HAp), una forma natural del mineral fosfato de calcio que constituye la mayor parte de la estructura ósea humana. "HAp está compuesto por elementos abundantes en la naturaleza, no es tóxico y presenta una alta biocompatibilidad. Nuestros resultados, por lo tanto, abrió una nueva posibilidad de diseñar barato, catalizadores libres de metales nobles para el control de COV, "dice el profesor Shirai.
En un nuevo estudio publicado en Informes científicos , El profesor Shirai y su colega Yunzi Xin de NITech ahora van más allá al adaptar la superficie activa de HAp utilizando un tratamiento mecanoquímico en condiciones ambientales que conduce a una oxidación catalítica altamente eficiente de COV con una conversión del 100% en compuestos inofensivos. Específicamente, mezclaron HAp inicial con bolas de cerámica en un recipiente y realizaron un molido planetario de bolas a temperatura ambiente y presión ambiental. Esto esencialmente alteró la estructura química de HAp y permitió su adaptación selectiva simplemente cambiando el tamaño de la bola.
Los científicos investigaron el cambio de estructura química de HAp después del molido de bolas a través de la caracterización XPS y concluyeron a partir de las observaciones que el proceso mecanoquímico crea defectos superficiales / vacantes de oxígeno predominantemente en el sitio PO43. Crédito:Takashi Shirai del Instituto de Tecnología de Nagoya
Usando diferentes tamaños de bolas (3, 10, y 15 mm) para variar sistemáticamente la morfología, cristalinidad defectos superficiales / vacancia de oxígeno, acidez / basicidad, y afinidad de VOC de HAps, los científicos llevaron a cabo su caracterización utilizando diversas técnicas como microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos X en polvo, Espectrometría infrarroja por transformada de Fourier, Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, análisis de resonancia de espín de electrones, evaluación de acidez / basicidad superficial, y espectroscopía de transformada de Fourier infrarroja de reflectancia difusa de flujo de gas.
Observaron un predominio de la formación de vacantes de oxígeno en el sitio PO43- (PO4 con carga triple) junto con una población de sitios básicos mejorada causada por una activación mecanoquímica selectiva del plano c (plano perpendicular al eje de simetría) del cristal HAp hexagonal y lo atribuyó a la excelente conversión catalítica de COV en CO 2 /CO.
Es más, encontraron que los HAps tratados con bolas de 3 mm mostraban una actividad catalítica superior a los tratados con bolas de 10 y 15 mm, a pesar de que las bolas más grandes causaron más defectos y basicidad. Al observar la absorción superficial de un COV, acetato de etilo, Los científicos atribuyeron esta anomalía a la absorción inhibida de acetato de etilo en HAp tratado con bolas más grandes, conduciendo a la catálisis suprimida.
(a) muestra espectros de resonancia de espín electrónico in situ de HAp en bruto y HAp tratada mecanoquímicamente con bolas de 3 mm. (b) muestra un esquema de la oxidación catalítica de VOC en una superficie de HAp adaptada mecanoquímicamente. (c) muestra la conversión de COV de CO2 / CO a diferentes temperaturas para HAp crudo y prueba cíclica de descomposición de COV en HAp tratada con bolas de 3 mm. A partir de una) , (b) y (c), se indicó que en comparación con HAp sin procesar, todos los HAps activados comenzaron a descomponer los COV a temperaturas más bajas. Crédito:Takashi Shirai del Instituto de Tecnología de Nagoya
Los resultados han entusiasmado a los científicos sobre las perspectivas futuras de HAps. "Esperamos que nuestro catalizador contribuya significativamente al control de COV y la limpieza ambiental en todo el mundo para la próxima década, lograr los objetivos sostenibles de aire y agua limpios, energía asequible, y acción climática, "comenta el profesor Shirai.
En efecto, este es un gran paso hacia una sociedad más ecológica.
