Neuartige mineralische Piezokatalysatoren bieten innovative Ansätze zur Bodensanierung

Die Entfernung polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) aus der Bodenumgebung ist für die Reparatur des langfristig geschädigten Ökosystems von großer Bedeutung. Allerdings führen der schlechte Stofftransferprozess und die geringe katalytische Aktivität bei den meisten herkömmlichen Methoden zu einer begrenzten Entfernungseffizienz.

Ein Team von Wissenschaftlern hat eine Gradienten-F-dotierte Hydroxylapatit-Kern-Schale-Struktur (HAP@FAP) mit der Kopplungswirkung von Flexoelektrizität und Piezoelektrizität für den Abbau von PAKs im Boden konstruiert, die innovative Ansätze für die Bodensanierung bietet. Ihre Arbeit war veröffentlicht im Tagebuch Industrielle Chemie und Materialien.

Der schlechte Stoffübergangsprozess bei konventionellen Bodensanierungsmethoden bleibt ein wesentlicher Faktor, der ihre weitere Anwendung erschwert. Kürzlich wurde die Piezokatalyse als neue Energieumwandlungstechnologie entwickelt. Die mechanische Vibration (Ultraschall oder Rühren usw.) kann eine Gitterverzerrung von Piezokatalysatoren hervorrufen und den Stofftransport im Bodensystem beschleunigen, was zu einem verstärkten piezokatalytischen Abbau von PAK im Boden führt, was ein großes Potenzial für die Bodensanierung aufweist.

Hydroxylapatit (Ca10(PO4)6(OH)2, HAP) weist als natürliche mineralische Piezokatalysatoren einzigartige Vorteile der Umweltfreundlichkeit im Bereich der piezokatalytischen Bodensanierung auf. Die größte Herausforderung ist jedoch der schwache piezoelektrische Koeffizient (1–16 pm V-1) von HAP, der zu einer geringen katalytischen Aktivität führt.

„Der Aufbau HAP-basierter mineralischer Piezokatalysatoren mit hoher piezokatalytischer Aktivität zur Bodensanierung ist die Richtung der Bemühungen unseres Teams“, erklärt Jianmei Lu, Professor an der Soochow-Universität.

Den Forschern gelang es, mithilfe einer einfachen Ionenaustauschmethode eine HAP@FAP-Kern-Schale-Struktur mit Gradienten-F-Dotierung herzustellen, die den Kopplungseffekt von Piezoelektrizität und Flexoelektrizität durch einen eingebauten Spannungsgradienten für eine verbesserte piezokatalytische Aktivität induzierte.

Der oxidative Abbau von Phenanthren (PHE) im Boden (200 mg kg-1) wurde durchgeführt, um die piezokatalytischen Aktivitäten von Katalysatoren zu bewerten. HAP@FAP zeigte die optimierte piezokatalytische Aktivität, sodass 79 % PHE unter Ultraschallvibration für 120 Minuten abgebaut werden können. Dies ist dem reinen HAP und F-HAP mit einer festen Lösungsstruktur deutlich überlegen. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der Katalysatordosierung, des Wasser-Boden-Verhältnisses und der Ultraschallleistung auf die Abbauleistung untersucht.

Das Forschungsteam schlug außerdem den möglichen Mechanismus des PHE-Abbaus vor, der durch piezoelektrische Polarisation verursacht wird. Der Gitterspannungsgradient, der in der Kern-Schale-Richtung der Gradienten-F-Dotierung erzeugt wurde, induzierte Flexoelektrizität und erhöhte die piezokatalytische Aktivität.

Unter kontinuierlicher Ultraschallvibration trieb das polarisierte elektrische Feld in HAP@FAP Ladungsträger an die Oberfläche und erzeugte reaktive Sauerstoffspezies für den oxidativen Abbau von PHE letztendlich in CO2 und H2O, wodurch das Ziel einer harmlosen Behandlung von Bodenschadstoffen erreicht wurde.

Mit Blick auf die Zukunft hofft das Forschungsteam, dass ihre Arbeit Erkenntnisse für die Modifikation piezoelektrischer Katalysatoren zur Sanierung organisch kontaminierter Böden auf Industrieflächen liefern könnte. „Als Nächstes planen wir eine Vergrößerung, um das ultimative Ziel einer industriellen Anwendung zu erreichen. Unser entwickelter Katalysator könnte möglicherweise in Industrieflächen, die mit verschiedenen persistenten organischen Schadstoffen kontaminiert sind, wie etwa polychlorierte Biphenyle und Naphthalin, eingesetzt werden“, sagte Lu.