Les images SEM révèlent que par rapport aux particules peu emballées dans le HAp brut, Les HAp traités mécanochimiquement présentent des agglomérats de particules compactes dont la taille augmente avec l'augmentation du diamètre de la bille. Le modèle I(300)/I(200) montre que l'adaptation de surface se produit principalement sur le plan c. Crédit : : Takashi Shirai de l'Institut de technologie de Nagoya
L'un des maux les plus importants de l'industrialisation rapide a été l'émission de polluants toxiques dans la biosphère environnante, avec des conséquences souvent désastreuses pour les êtres humains. Plusieurs procédés industriels, tels que la fabrication de produits chimiques et l'impression, ainsi que des installations telles que les centrales électriques émettent des composés organiques volatils (COV) qui sont connus pour être cancérigènes et soulèvent un problème environnemental important nécessitant une solution. Traditionnellement, Les COV sont contrôlés via un processus appelé oxydation catalytique, dans lequel ils sont transformés en matériaux bénins en présence de métal noble (par exemple l'or, argent, et platine) nanoparticules. Cependant, le procédé est coûteux et nécessite un réglage fin des caractéristiques des nanoparticules. Ainsi, un procédé catalytique ne nécessitant pas de catalyseurs de métaux nobles est hautement souhaitable. Alors que les métaux de transition et leurs oxydes sont une alternative possible, ils nécessitent des synthèses complexes et un contrôle précis de la composition chimique.
Donc, pouvons-nous faire mieux que cela ? Il s'avère que, nous pouvons. Une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Takashi Shirai du Nagoya Institute of Technology (NITech), Japon, ont signalé une décomposition catalytique complète des COV à l'aide d'un composé inorganique appelé hydroxyapatite (HAp), une forme naturelle du phosphate de calcium minéral qui constitue la majeure partie de la structure osseuse humaine. "HAp est fait d'éléments abondants dans la nature, est non toxique et présente une biocompatibilité élevée. Nos résultats, Donc, a ouvert une nouvelle possibilité pour concevoir pas cher, catalyseurs sans métaux nobles pour le contrôle des COV, " dit le professeur Shirai.
Dans une nouvelle étude publiée dans Rapports scientifiques , Le professeur Shirai et son collègue Yunzi Xin de NITech vont maintenant plus loin en adaptant la surface active de l'HAp à l'aide d'un traitement mécanochimique dans des conditions ambiantes qui conduit à une oxydation catalytique très efficace des COV avec une conversion à 100 % en composés inoffensifs ! Spécifiquement, ils ont mélangé l'HAp initial avec des billes de céramique dans un récipient et ont effectué un broyage planétaire à la température ambiante et à la pression ambiante. Cela a essentiellement modifié la structure chimique de l'HAp et a permis son adaptation sélective en modifiant simplement la taille de la balle.
Les scientifiques ont étudié le changement de structure chimique de l'HAp après le broyage à billes par le biais de la caractérisation XPS et ont conclu à partir des observations que le processus mécanochimique crée des défauts de surface/lacunes d'oxygène principalement sur le site PO43-. Crédit :Takashi Shirai de l'Institut de technologie de Nagoya
En utilisant différentes tailles de balles (3, dix, et 15 mm) pour varier systématiquement la morphologie, cristallinité, défauts de surface/lacune d'oxygène, acidité/basicité, et l'affinité des COV des HAps, les scientifiques ont effectué leur caractérisation en utilisant diverses techniques telles que la microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X sur poudre, Spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier, Spectroscopie photoélectronique par rayons X, analyse par résonance de spin électronique, évaluation de l'acidité/basicité de surface, et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflectance diffuse à écoulement gazeux.
Ils ont observé une prédominance de la formation de lacunes d'oxygène dans le site PO43- (PO4 triplement chargé) ainsi qu'une population de sites basiques accrue causée par une activation mécanochimique sélective du plan c (plan perpendiculaire à l'axe de symétrie) du cristal hexagonal HAp et attribué à l'excellente conversion catalytique des COV en CO
De plus, ils ont constaté que les HAps traités avec des billes de 3 mm présentaient une activité catalytique supérieure à ceux traités avec des billes de 10 et 15 mm, même si des boules plus grosses causaient plus de défauts et de basicité. En regardant l'absorption de surface d'un COV, acétate d'éthyle, les scientifiques ont attribué cette anomalie à l'absorption inhibée de l'acétate d'éthyle dans l'HAp traité avec des billes plus grosses, conduisant à une catalyse supprimée.
(a) montre les spectres de résonance de spin électronique in situ de HAp brut et de HAp traité mécanochimiquement avec des billes de 3 mm. (b) montre un schéma de l'oxydation catalytique de COV sur une surface mécanochimiquement adaptée de HAp. (c) montre la conversion CO2/CO du COV à différentes températures pour le HAp brut et le test cyclique de décomposition du COV sur le HAp traité avec des billes de 3 mm. De) , (b) et (c), il a été indiqué que par rapport à l'HAp brute, tous les HAp activés ont commencé à décomposer les COV à des températures plus basses. Crédit :Takashi Shirai de l'Institut de technologie de Nagoya
Les résultats ont enthousiasmé les scientifiques quant aux perspectives d'avenir des HAps. « Nous prévoyons que notre catalyseur contribuera de manière significative au contrôle des COV et au nettoyage de l'environnement dans le monde entier d'ici la prochaine décennie, atteindre les objectifs durables d'assainissement de l'air et de l'eau, énergie abordable, et l'action climatique, " commente le Pr Shirai.
En effet, c'est un grand pas vers une société plus respectueuse de l'environnement.
