Borttagning av polycykliska aromatiska kolväten (PAH) i markmiljön är av stor betydelse för att reparera det långvarigt skadade ekosystemet. Den dåliga massöverföringsprocessen och den låga katalytiska aktiviteten i de flesta konventionella metoder leder emellertid till begränsad avlägsningseffektivitet.
Ett team av forskare har konstruerat en gradient F-dopande hydroxiapatit kärna-skal struktur (HAP@FAP) med kopplingseffekten av flexoelektricitet och piezoelektricitet för nedbrytning av PAH i jord som ger innovativa metoder för marksanering. Deras arbete publicerades i tidskriften Industrial Chemistry &Materials .
Den dåliga massöverföringsprocessen i konventionella marksaneringsmetoder är fortfarande en betydande faktor som hämmar deras fortsatta tillämpning. På senare tid har piezokatalys utvecklats som en ny energiomvandlingsteknik. De mekaniska vibrationerna (ultraljud eller omrörning, etc.) kan inducera gallerförvrängning av piezokatalysatorer och påskynda massöverföring i marksystemet, vilket leder till ökad piezokatalytisk nedbrytning av PAH i marken, vilket visar stor potential vid jordsanering.
Hydroxiapatit (Ca10 (PO4 )6 (OH)2 , HAP), som naturliga mineraliska piezokatalysatorer, uppvisar unika fördelar med miljövänlighet inom området för piezokatalytisk jordsanering. Den största utmaningen är dock den svaga piezoelektriska koefficienten (1–16 pm V -1 ) av HAP, vilket leder till låg katalytisk aktivitet.
"Hur man konstruerar HAP-baserade mineralpiezokatalysatorer med hög piezokatalytisk aktivitet för marksanering är riktningen för vårt teams ansträngningar", förklarar Jianmei Lu, professor vid Soochow University.
Forskarna tillverkade framgångsrikt en gradient F-doping HAP@FAP kärna-skalstruktur via en enkel jonbytesmetod, som inducerade kopplingseffekten av piezoelektricitet och flexoelektricitet genom inbyggd töjningsgradient för förbättrad piezokatalytisk aktivitet.
Den oxidativa nedbrytningen av fenantren (PHE) i jord (200 mg kg -1 30 katalysatorernas piezokatalytiska aktiviteter. HAP@FAP uppvisade den optimerade piezokatalytiska aktiviteten att 79 % PHE kan brytas ned under ultraljudsvibrationer i 120 minuter. Detta är betydligt överlägset orörda HAP och F-HAP med en solid lösningsstruktur. Dessutom undersöktes effekterna av katalysatordosering, vatten-till-jord-förhållande och ultraljudseffekt på nedbrytningsprestanda.
Forskargruppen föreslog också den möjliga mekanismen för PHE-nedbrytning orsakad av piezoelektrisk polarisering. Gittertöjningsgradienten genererad i gradienten F-doping kärna-skal-riktningen inducerade flexoelektricitet förstärkt piezokatalytisk aktivitet.
Under kontinuerlig ultraljudsvibration drev det polariserade elektriska fältet i HAP@FAP laddningsbärare till ytan och genererade reaktiva syrearter för oxidativ nedbrytning av PHE till slut till CO2 och H2 O, att uppnå målet om ofarlig behandling av markföroreningar.
Framöver hoppas forskargruppen att deras arbete kan ge insikter för modifiering av piezoelektriska katalysatorer för sanering av organiskt förorenad jord från industrimark. "Vi planerar härnäst att skala upp för att uppnå det slutliga målet med industriell tillämpning. Vår utvecklade katalysator kan potentiellt användas i olika långlivade organiska föroreningar förorenad industrimark, såsom polyklorerade bifenyler och naftalen", säger Lu.
Mer information: Jun Han et al, Flexoelectricity in hydroxyapatite for the enhanced piezocatalytic nedbrytning av fenantren i jord, Industriell kemi och material (2023). DOI:10.1039/D3IM00093A
Tillhandahålls av Industrial Chemistry &Materials
