Imagens SEM revelam que, em comparação com partículas fracamente empacotadas em HAp bruto, HAps mecanicamente tratados mostram aglomerados de partículas compactadas cujo tamanho aumenta com o aumento do diâmetro da esfera. O padrão I (300) / I (200) mostra que a adaptação de superfície ocorre predominantemente no plano c. Crédito:Takashi Shirai do Instituto de Tecnologia de Nagoya
Um dos males mais proeminentes da rápida industrialização tem sido a emissão de poluentes tóxicos para a biosfera circundante, com conseqüências freqüentemente desastrosas para os seres humanos. Vários processos industriais, como fabricação e impressão de produtos químicos, junto com instalações como usinas de energia, emitem compostos orgânicos voláteis (VOCs) que são conhecidos por serem causadores de câncer e levantam uma importante questão ambiental que precisa de uma solução. Tradicionalmente, VOCs são controlados por meio de um processo chamado oxidação catalítica, em que eles são convertidos em materiais benignos na presença de metal nobre (por exemplo, ouro, prata, e platina) nanopartículas. Contudo, o processo é caro e requer um ajuste fino das características das nanopartículas. Assim, um processo catalítico que não requeira catalisadores de metal nobre é altamente desejável. Embora os metais de transição e seus óxidos sejam uma alternativa possível, eles requerem sínteses complexas e controle preciso da composição química.
Então, podemos fazer melhor do que isso? Acontece que, nós podemos. Uma equipe de cientistas liderada pelo Prof. Takashi Shirai do Instituto de Tecnologia de Nagoya (NITech), Japão, relataram uma decomposição catalítica completa de VOC usando um composto inorgânico chamado hidroxiapatita (HAp), uma forma natural do fosfato de cálcio mineral que constitui a maior parte da estrutura óssea humana. "HAp é feito de elementos abundantes na natureza, não é tóxico e exibe alta biocompatibilidade. Nossos resultados, portanto, abriu uma nova possibilidade de design barato, catalisadores isentos de metais nobres para controle de VOC, "diz o Prof. Shirai.
Em um novo estudo publicado em Relatórios Científicos , O Prof. Shirai e seu colega Yunzi Xin da NITech agora levam as coisas mais além, adaptando a superfície ativa do HAp usando um tratamento mecanoquímico sob condições ambientais que leva a uma oxidação catalítica altamente eficiente de VOC com 100% de conversão em compostos inofensivos! Especificamente, eles misturaram HAp inicial com bolas de cerâmica em um recipiente e conduziram a moagem planetária de bolas em temperatura e pressão ambiente. Isso alterou essencialmente a estrutura química do HAp e permitiu sua adaptação seletiva, simplesmente alterando o tamanho da bola.
Cientistas investigaram a mudança na estrutura química do HAp pós-moagem por bolas através da caracterização XPS e concluíram a partir das observações que o processo mecanoquímico cria defeitos superficiais / vacâncias de oxigênio predominantemente no sítio PO43-. Crédito:Takashi Shirai do Instituto de Tecnologia de Nagoya
Usando diferentes tamanhos de bola (3, 10, e 15 mm) para variar sistematicamente a morfologia, cristalinidade, defeitos de superfície / vacância de oxigênio, acidez / basicidade, e afinidade de VOC de HAps, os cientistas realizaram sua caracterização usando várias técnicas, como microscopia eletrônica de varredura, difração de raios-X em pó, Espectrometria de infravermelho com transformada de Fourier, Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X, análise de ressonância de spin de elétrons, avaliação da acidez / basicidade da superfície, e espectroscopia de transformada de Fourier no infravermelho com refletância difusa de fluxo de gás.
Eles observaram uma predominância de formação de vacância de oxigênio no local PO43- (PO4 triplamente carregado), juntamente com uma população de local básico aumentada causada por uma ativação mecanoquímica seletiva do plano c (plano perpendicular ao eixo de simetria) do cristal hexagonal HAp e atribuiu-o à excelente conversão catalítica de VOC em CO 2 / CO.
Além disso, eles descobriram que HAps tratados com bolas de 3 mm mostraram atividade catalítica superior ao tratado com bolas de 10 e 15 mm, embora bolas maiores causassem mais defeitos e basicidade. Ao observar a absorção de superfície de um VOC, acetato de etila, os cientistas atribuíram esta anomalia à absorção inibida de acetato de etila em HAp tratado com bolas maiores, levando a catálise suprimida.
(a) mostra espectros de ressonância de spin de elétrons in-situ de HAp bruto e HAp tratado mecanicamente com bolas de 3 mm. (b) mostra o esquema da oxidação catalítica de VOC na superfície mecanicamente adaptada de HAp. (c) mostra a conversão de CO2 / CO de VOC sob diferentes temperaturas para HAp bruto e teste cíclico de decomposição de VOC em HAp tratado com bolas de 3 mm. A partir de um) , (b) e (c), foi indicado que, em comparação com HAp bruto, todos os HAps ativados começaram a decompor VOC em temperaturas mais baixas. Crédito:Takashi Shirai do Instituto de Tecnologia de Nagoya
Os resultados entusiasmaram os cientistas sobre as perspectivas futuras dos HAps. "Esperamos que nosso catalisador contribua significativamente para o controle de VOC e limpeza ambiental em todo o mundo na próxima década, alcançar as metas sustentáveis de ar e água limpos, energia acessível, e ação climática, "comenta o Prof. Shirai.
De fato, este é um grande passo em direção a uma sociedade mais ecológica.