L’élimination des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans l’environnement du sol revêt une grande importance pour la réparation de l’écosystème endommagé à long terme. Cependant, le mauvais processus de transfert de masse et la faible activité catalytique de la plupart des méthodes conventionnelles conduisent à une efficacité d'élimination limitée.
Une équipe de scientifiques a construit une structure noyau-coquille d'hydroxyapatite à dopage F à gradient (HAP@FAP) avec l'effet de couplage de la flexoélectricité et de la piézoélectricité pour la dégradation des HAP dans le sol, offrant ainsi des approches innovantes pour l'assainissement des sols. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Industrial Chemistry &Materials. .
Le mauvais processus de transfert de masse dans les méthodes conventionnelles d’assainissement des sols reste un facteur important qui entrave leur application ultérieure. Récemment, la piézocatalyse a été développée comme nouvelle technologie de conversion d'énergie. Les vibrations mécaniques (ultrasons ou agitation, etc.) peuvent induire une distorsion du réseau des piézocatalyseurs et accélérer le transfert de masse dans le système de sol, conduisant à une dégradation piézocatalytique accrue des HAP dans le sol, ce qui présente un grand potentiel pour l'assainissement des sols.
Hydroxyapatite (Ca10 (PO4 )6 (OH)2 , HAP), en tant que piézocatalyseurs minéraux naturels, présentent des avantages uniques en matière de respect de l'environnement dans le domaine de l'assainissement piézocatalytique des sols. Cependant, le plus grand défi réside dans le faible coefficient piézoélectrique (1–16 pm V -1 ) de HAP, conduisant à une faible activité catalytique.
"La manière de construire des piézocatalyseurs minéraux à base de HAP avec une activité piézocatalytique élevée pour l'assainissement des sols est la direction des efforts de notre équipe", explique Jianmei Lu, professeur à l'Université de Soochow.
Les chercheurs ont réussi à fabriquer une structure noyau-coquille HAP@FAP à dopage F à gradient via une méthode simple d'échange d'ions, qui a induit l'effet de couplage de la piézoélectricité et de la flexoélectricité par un gradient de contrainte intégré pour une activité piézocatalytique améliorée.
La dégradation oxydative du phénanthrène (PHE) dans le sol (200 mg kg -1 ) a été réalisée pour évaluer les activités piézocatalytiques des catalyseurs. HAP@FAP a présenté une activité piézocatalytique optimisée selon laquelle 79 % du PHE peut être dégradé sous vibration ultrasonique pendant 120 min. Ceci est nettement supérieur au HAP et au F-HAP vierges avec une structure de solutions solide. De plus, les effets du dosage du catalyseur, du rapport eau/sol et de la puissance des ultrasons sur les performances de dégradation ont été étudiés.
L'équipe de recherche a également proposé le mécanisme possible de dégradation du PHE provoqué par la polarisation piézoélectrique. Le gradient de déformation du réseau généré dans la direction noyau-coquille du gradient de dopage F a induit une activité piézocatalytique améliorée par flexoélectricité.
Sous vibration ultrasonore continue, le champ électrique polarisé dans HAP@FAP a conduit les porteurs de charge vers la surface, générant des espèces réactives de l'oxygène pour la dégradation oxydative du PHE finalement en CO2 et H2 O, atteindre l'objectif d'un traitement inoffensif des polluants du sol.
Pour l’avenir, l’équipe de recherche espère que leurs travaux pourraient fournir des informations sur la modification des catalyseurs piézoélectriques pour l’assainissement des sols contaminés par des matières organiques provenant de terrains industriels. "Nous prévoyons ensuite de passer à l'échelle supérieure pour atteindre l'objectif ultime d'une application industrielle. Notre catalyseur développé pourrait être potentiellement appliqué à divers polluants organiques persistants contaminés par des terrains industriels, tels que les polychlorobiphényles et le naphtalène", a déclaré Lu.
Plus d'informations : Jun Han et al, Flexoélectricité dans l'hydroxyapatite pour la dégradation piézocatalytique améliorée du phénanthrène dans le sol, Chimie et matériaux industriels (2023). DOI :10.1039/D3IM00093A
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