利用与骨骼相同成分制成的“稀有金属”去除催化剂，为实现可持续发展目标做出贡献 - 开发新型表面活化技术，可显着提高引起光V体育氧化剂的 VOC 气体的分解性能 -

演示要点

〇​通过对牙齿和骨骼的主要成分羟基磷灰石（HAp）进行机械V体育处理，成功地将造成大气污染的挥发性有机化合物（VOC）完全氧化分解为100%无机成分
〇〇成功开发出一种表面处理技术，只需调整机械V体育处理时使用的球的尺寸即可轻松控制HAp的表面V体育结构，从而显着改善性能
〇作为一种不含贵金属、高活性、高稳定性的多功能环境净化催化剂，用于全球空气环境改善和水净化目的，有望为实现SDGs做出贡献

摘要

　该成果于2021年4月6日（日本时间）在线发表在英国Nature Research出版的学术期刊《Scientific Reports》上。
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研究背景

V体育制造、印刷、发电厂和汽车等工业过程排放的挥发性有机化合物 (VOC) 是最有害的空气污染物，是光V体育烟雾和二次气溶胶的前体。此外，VOCs有毒、致癌，对人体有极其有害的影响，因此减少VOC排放已成为全球最重要的环境问题之一。
　作为VOC排放的对策，已经建立了冷凝、吸附、生物降解、催化氧化分解等去除技术。特别是催化氧化分解方法被广泛使用，因为它们可以使用较少的能量将VOC分解成无毒的最终产物，例如水和二氧化碳。该方法一般采用铂、钯等贵金属纳米粒子催化剂，在200～400℃的低温下氧化分解VOCs。然而，虽然在低温下可以分解，但由于使用贵金属纳米粒子作为催化剂，存在生产成本高、催化剂中毒导致的劣化以及回收困难等问题。此外，从保存稀有和有价值的材料以及供应它们的风险的角度来看，需要开发廉价的不含贵金属的替代催化剂材料。近年来，过渡金属氧化物和过渡金属负载材料已被开发为不含贵金属的替代催化剂材料，但复杂的合成过程和需要精确控制其V体育成分给工业应用带来了问题。

研究内容/结果

近年来，该研究小组以人们熟悉的牙齿和骨骼的主要成分羟基磷灰石（HAp）为研究对象，在世界上首次报道了其利用热激发自由基和酸碱特性作为氧化催化剂的有用性（*5）。然而，为了赋予HAp材料催化能力，需要在HAp材料的合成过程中设定精确的条件。然而，通过在空气和室温下进行简单的机械V体育处理，我们成功地选择性活化市售通用HAp材料的表面，显着提高其催化能力，并开发出具有优异稳定循环特性的功能催化材料。
　由于HAp材料本身具有催化能力，因此不需要像普通贵金属催化剂一样负载在陶瓷载体上，仅使用HAp材料就可以制造催化过滤器。除了环境保护和有效利用资源外，它还具有实用和经济的优势，因此预计未来它将在通过控制VOC排放来净化空气和水的环境净化技术中得到实际应用。

图 1（a）机械V体育处理和HAp处理前后的概述（b）颗粒形貌（SEM），（c）结晶度评价（XRD），（d）HAp的晶体结构，（e）晶面强度比

在这项研究中，使用行星式球磨机将市售HAp粉末制成的不同尺寸（3/10/15毫米）的球在空气中填充到陶瓷容器中，并在各种条件下进行机械V体育处理（图1-（a））。机械V体育处理的HAp粉末的颗粒形貌和晶体结构如图1-(b)和(c)所示。机械处理后，由于表面缺陷和晶格畸变的产生，HAp粉末的结晶度降低。此外，计算出的a（300）/c（002）晶面比（图1-（d））的结果表明，机械处理选择性地改变了c面的晶体结构。此外，X射线光电子能谱（XPS）表面分析结果（图2）表明机械处理的HAp粉末存在于c面订单₄^3-已证实，由于该位点中P-O键的解离，产生了许多缺陷结构和氧空位。我们发现，通过调整所用球的尺寸，我们可以轻松控制 HAp 粉末的V体育结构，包括表面缺陷的比例。此外，使用电子自旋共振（ESR）装置的测量结果表明，通过机械处理控制表面V体育结构的HAp具有热诱导活性自由基（･O₂)的生成得到了改进（图3-(a)）。这些热诱导的活性自由基是HAp结构中的PO₄^3-网站结构有缺陷 (订单_３^-）和氧空位中存在的不成对电子被认为与吸附的氧分子发生了反应（图3-（b））。
图3-(c)显示了使用表面活化HAp粉末氧化分解乙酸乙酯（一种VOC）的结果。经过机械V体育处理的HAp粉末从较低的温度范围（200℃~）开始分解乙酸乙酯，并在400℃时达到100%的矿化率。此外，从循环实验的结果来看，我们发现机械V体育处理的HAp粉末表现出极高的稳定性，有望作为可循环稳定使用的高活性氧化催化剂应用于环境净化技术。

图 2机械V体育处理前后HAp的X射线光电子能谱（XPS）结果（a）O1s，（b）P2p轨道

图 3　（a）机械V体育处理前后HAp的电子自旋共振分析（ESR）结果，（b）机械V体育处理的表面选择性活化机制，（c）处理后HAp（3 mm）中乙酸乙酯的矿化率和循环实验结果

社会意义

　为了实现2015年9月联合国首脑会议通过的SDG（可持续发展目标），需要在各个领域进行技术创新。在能源/环境领域，为了创造可持续的环境，全世界正在做出各种努力，并进行改善空气污染和确保安全水资源所需的技术开发。
　尽管由于《空气污染控制法》的规定以及企业为防止工业污染而做出的努力，日本的空气质量一直在改善，但亚洲和其他地区仍然存在严重的空气污染问题。如上所述，中国作为世界主要VOC排放国之一，正在全球范围内努力减少VOC这一环境污染物，例如加强环境保护法规，防止PM25问题造成的空气污染。本研究开发的HAp催化剂不使用昂贵且稀有的贵金属，具有高效的气体分解性能，如果投入实际使用，预计将在因成本问题而未积极引进的日本和海外的中小型设施以及环保欠发达的国家中推广使用，并有望在全球范围内减少VOC，改善大气环境。如果通过这项研究开发出的通过HAp催化剂表面处理来提高催化活性的技术能够从日本传播到世界其他地区，作为仅在富裕国家才有的贵金属催化剂的替代品，我们希望它将能够解决人类减少和改善全球环境污染物排放的紧迫问题。

未来发展

　我们将与太平V体育产业合作，与VOC处理设备制造商和处理公司进行现场研究，并不断开发实用化的产品。此外，通过以HAp材料为中心的材料开发，我们将继续开发可应用于其他领域的功能材料。
　这项研究是在日本科学技术振兴机构优化部署研究成果的支持计划 A-STEP 的支持下与 Taihei Kagaku Sangyo 合作进行的。

术语表

(*1)机械V体育
机械V体育。当机械能作用于物质时，物质被粉碎，同时其表面键合状态发生变化并被激活，与周围物质发生V体育反应。
(*2)HAp
羟基磷灰石。具有磷灰石结构的磷酸钙的总称。V体育计量 HAp 的V体育式为 Ca₁₀（订单₄)₆（哦）₂，Ca/P(Ca与P的摩尔比)为167。它被称为一种用途广泛的功能陶瓷材料，例如利用优异的有机亲和力、高吸附能力和离子交换能力的人造骨、人造牙根等生物陶瓷，广泛用作高效液相色谱的填充剂、蛋白质去除材料、抗菌剂载体等。
（＊３）VOC
挥发性有机化合物的缩写，定义为以气态存在于大气中、沸点为50℃至260℃的有机化合物的总称。典型的例子包括甲苯和乙酸乙酯，它们存在于油漆、印刷油墨、粘合剂、清洁剂和汽油中。除了空气污染问题外，据报道它还对健康产生有害影响，例如难闻的气味和致癌性，近年来，它已被证明是病态建筑综合症和化学敏感性的原因。
(*4) 热激发自由基
指具有受热激发的不成对电子的原子、分子或离子。
(*5) V体育新闻稿
使用被称为牙齿和骨骼的主要成分的羟基磷灰石（HAp）实现挥发性有机化合物（VOC）的完全分解 - 使用不需要添加贵金属的陶瓷催化剂的环境净化技术的新可能性 - （截至2020年8月21日）
网址：https://wwwnitechacjp/news/press/2020/8465html

论文信息

论文标题：通过简单的机械V体育处理活化无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
作者姓名：Xin Xin（先进陶瓷研究中心项目助理教授）、Takashi Shirai（生命与应用V体育系、先进陶瓷研究中心副教授）*（*通讯作者）
出版杂志名称：Scientific Reports
发布日期：2021 年 4 月 6 日（日本时间）
DOI：101038/s41598-021-86992-8
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