快速工业化最突出的弊端之一就是向周围的生物圈排放有毒污染物，这往往给人类带来灾难性的后果。化学制造和印刷等多种工业流程以及发电厂等设施都会排放挥发性有机化合物 (VOC)，这些化合物已知会致癌，并引发需要解决的重要环境问题。传统上，挥发性有机化合物是通过一种称为“催化氧化”的过程进行控制的，在贵金属（例如金、银和铂）纳米颗粒存在的情况下，它们会转化为良性材料。然而，该过程成本昂贵，并且需要对纳米颗粒特性进行微调。因此，非常需要不需要贵金属催化剂的催化方法。虽然过渡金属及其氧化物是一种可能的替代品，但它们需要复杂的合成和精确的化学成分控制。

那么，我们能做得更好吗？事实证明，我们可以！日本V体育 (NITech) 的 Takashi Shirai 教授领导的科学家团队报告了使用一种名为“羟基磷灰石”(HAp) 的无机化合物完全催化分解 VOC，羟基磷灰石是构成人体大部分骨骼结构的矿物磷酸钙的天然形式。“HAp 由自然界丰富的元素制成，无毒且具有高生物相容性。因此，我们的研究结果为设计用于 VOC 控制的廉价、不含贵金属的催化剂开辟了新的可能性，”白井教授说。

在一个，NITech 的 Shirai 教授和他的同事 Yunzi Xin 现在更进一步，在环境条件下使用机械化学处理来定制 HAp 的“活性表面”，从而实现 VOC 的高效催化氧化，并 100% 转化为无害化合物！具体来说，他们将初始 HAp 与陶瓷球在容器中混合，并在室温和环境压力下进行“行星球磨”。这从本质上改变了 HAp 的化学结构，并允许通过简单地改变球尺寸来对其进行选择性定制。

通过使用不同的球尺寸（3、10 和 15 毫米）来系统地改变 HAps 的形态、结晶度、表面缺陷/氧空位、酸度/碱度和 VOC 亲和力，科学家们使用扫描电子显微镜、粉末 X 射线衍射、傅里叶变换红外光谱法、X 射线光电子能谱、电子自旋共振分析、表面酸度/碱度等各种技术进行了表征评估和气体流动漫反射红外傅立叶变换光谱。

他们观察到 PO 中氧空位形成占主导地位₄^3- （PO 收取三重费用）₄) 位点以及由六方 HAp 晶体的 c 面（垂直于对称轴的平面）的选择性机械化学活化引起的增强的碱性位点群，并将其归因于 VOC 到 CO 的出色催化转化₂/CO

此外，他们发现，使用 3 毫米球处理的 HAps 表现出比使用 10 毫米和 15 毫米球处理的 HAps 更优异的催化活性，尽管较大的球会导致更多的缺陷和碱度。通过观察 VOC（乙酸乙酯）的表面处理，科学家将这种异常现象归因于用较大球处理的 HAps 中乙酸乙酯的吸收受到抑制，从而导致催化作用受到抑制。

研究结果让科学家们对 HAps 的未来前景感到兴奋。“我们预计，到下一个十年，我们的催化剂将为全世界的挥发性有机化合物控制和环境清洁做出重大贡献，实现清洁空气和水、负担得起的能源和气候行动的可持续目标，”评论白井教授，兴奋。

确实，这是迈向更加生态友好的社会的一大步！

图 1。(a) 在环境空气中用 3 种不同尺寸的球对 HAp 进行机械化学处理的行星球磨系统； (b) SEM 图像和 (c) 原始和机械化学处理的 HAps 的粉末 X 射线衍射 (PXRD) 图案； (d) HAp的六方晶体结构； (e) 从 PXRD 图获得的 (300) 与 (002) 面的强度比。

　

SEM 图像显示，与原始 HAp 中松散堆积的颗粒相比，机械化学处理的 HAp 显示出紧密堆积颗粒的团聚体，其尺寸随着球直径的增加而增大。 I(300)/I(200) 图案表明表面剪裁主要发生在 c 平面上。

图 2 原始和机械化学处理的 HAps 的 (a) O 1s 和 (b) P 2p 轨道的 X 射线光电子能谱。

　

科学家通过 XPS 表征研究了球磨后 HAp 的化学结构变化，并从观察结果得出结论：机械化学过程主要在 PO 上产生表面缺陷/氧空位₄^3- 网站。

图 3 (a) 原始 HAp 和用 3 mm 球机械化学处理过的 HAp 的原位电子自旋共振谱； (b) VOC 在机械化学定制的 HAp 表面上催化氧化的示意图； (c) 一氧化碳₂/原始HAp在不同温度下VOC的CO转化率以及用3mm球处理的HAp的VOC分解循环测试。

　

科学家使用乙酸乙酯作为目标气体，测试了不同温度下活化HAps对VOC氧化分解的催化性能。他们发现，与原始 HAp 相比，所有活化的 HAp 在较低温度下开始分解 VOC。

参考

原始论文标题	通过简单的机械化学处理活化不含贵金属的羟基磷灰石，以实现挥发性有机化合物的高效催化氧化
期刊	科学报告
DOI

关于同事白井隆教授

博士。 Takashi Shirai 是日本V体育 (NITech) 生命科学与应用化学系和先进陶瓷研究实验室的副教授。他的研究领域包括功能材料合成、表面化学和陶瓷工程。他的专长在于表面和界面工程以及纳米结构以及无机和复合材料的表征。副教授。白井教授在知名期刊、书籍章节和会议论文集上发表了 180 多篇科学论文，被引用次数超过 1150 次，并拥有 50 项专利。他曾获得日本陶瓷学会、日本粉末技术学会、日本粉末加工工业与工程学会等颁发的 11 项奖项。

资金信息

本研究部分由 JST（日本科学技术振兴机构）的 A-STEP（通过目标驱动研发的适应性无缝技术转让计划）资助。

联系方式

白井隆副教授
电子邮件：shiraitakashi[at]nitechacjp
+81-52-735-7536
链接：

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