En av de mest framträdande ondskan med snabb industrialisering har varit utsläppet av giftiga föroreningar till den omgivande biosfären, med ofta katastrofala konsekvenser för människor. Flera industriella processer, såsom kemisk tillverkning och tryckning, tillsammans med anläggningar som kraftverk släpper ut flyktiga organiska föreningar (VOC) som är kända för att vara cancerframkallande och väcker en viktig miljöfråga i behov av en lösning. Traditionellt, VOC styrs via en process som kallas katalytisk oxidation, där de omvandlas till godartade material i närvaro av ädelmetall (t.ex. guld, silver, och platina) nanopartiklar. Dock, processen är dyr och kräver en finjustering av nanopartikelegenskaper. Således, en katalytisk process som inte kräver ädelmetallkatalysatorer är mycket önskvärd. Även om övergångsmetaller och deras oxider är ett möjligt alternativ, de kräver komplexa synteser och exakt kemisk sammansättningskontroll.

Så, kan vi göra bättre än så här? Visar sig, vi kan. Ett team av forskare ledda av Prof. Takashi Shirai från Nagoya Institute of Technology (NITech), Japan, rapporterade en fullständig katalytisk sönderdelning av VOC med användning av en oorganisk förening som kallas hydroxiapatit (HAp), en naturligt förekommande form av mineralet kalciumfosfat som utgör det mesta av den mänskliga benstrukturen. "HAp är gjord av element som finns i överflöd i naturen, är giftfri och uppvisar hög biokompatibilitet. Våra resultat, Således, öppnade upp en ny möjlighet att designa billigt, ädelmetallfria katalysatorer för VOC-kontroll, " säger Prof. Shirai.

I en ny studie publicerad i Vetenskapliga rapporter , Professor Shirai och hans kollega Yunzi Xin från NITech tar nu saker vidare genom att skräddarsy den aktiva ytan på HAp med hjälp av en mekanokemisk behandling under omgivande förhållanden som leder till en mycket effektiv katalytisk oxidation av VOC med 100% omvandling till ofarliga föreningar! Specifikt, de blandade initial HAp med keramiska kulor i ett kärl och utförde planetkulmalning vid rumstemperatur och omgivande tryck. Detta förändrade i huvudsak den kemiska strukturen hos HAp och möjliggjorde dess selektiva skräddarsydda genom att helt enkelt ändra bollstorleken.

Genom att använda olika bollstorlekar (3, 10, och 15 mm) för att systematiskt variera morfologin, kristallinitet, ytdefekter/syrevakans, syra/basicitet, och VOC -affinitet för HAps, forskarna utförde sin karakterisering med olika tekniker som svepelektronmikroskopi, pulverröntgendiffraktion, Fourier transformerar infraröd spektrometri, Röntgenfotoelektronspektroskopi, elektronspinresonansanalys, utvärdering av ytsyra/basalitet, och gasströmmande diffus reflektans infraröd Fouriertransformspektroskopi.

De observerade en dominans av syrevakansbildning i PO43- (trippelladdat PO4)-ställe tillsammans med en ökad baspopulation orsakad av en selektiv mekanokemisk aktivering av c-planet (planet vinkelrätt mot symmetriaxeln) för den hexagonala HAp-kristallen och tillskrev det till den utmärkta katalytiska omvandlingen av VOC till CO ₂ /CO.

Dessutom, de fann att HAps behandlade med 3 mm-kulor visade överlägsen katalytisk aktivitet jämfört med den som behandlades med 10- och 15-mm-kulor, även om större bollar orsakade fler defekter och grundläggande. Genom att titta på ytabsorptionen av en VOC, Etylacetat, forskare tillskrev denna anomali till den hämmade absorptionen av etylacetat i HAp behandlad med större bollar, vilket leder till undertryckt katalys.

Resultaten har upphetsat forskare om framtidsutsikterna för HAps. "Vi förväntar oss att vår katalysator kommer att bidra väsentligt till VOC-kontroll och miljörening över hela världen under nästa decennium, att uppnå de hållbara målen ren luft och vatten, prisvärd energi, och klimatåtgärder, " kommenterar Prof. Shirai.

Verkligen, detta är ett stort steg mot ett mer miljövänligt samhälle.