Calcium hydroxyapatite-based photocatalysts for environment remediation: Characteristics, performances and future perspectives [303778]

Intoducere

Încălzirea globală are efecte profunde în cele mai diferite domenii. [anonimizat], [anonimizat] a numeroase specii și schimbări privind sănătatea oamenilor. Împotriva efectelor încălzirii globale se duce o [anonimizat] a Protocolului de la Kyoto privind reducerea emisiei poluanților care influențează viteza încălzirii.

Ca urmare a dezvoltării tehnologice țările puternic industrializate sunt grav afectate întrucât zonele contaminate au cunoscut o extindere rapida la scara mondiala. Astfel, proiectarea și fabricarea de materiale cu proprietăți specifice noi care ar putea fi utilizate cu succes in depoluarea mediului înconjurător a devenit o prioritate in rândul cercetătorilor ce lucrează in diverse domenii științifice.

Recent, un interes sporit s-a acordat materialelor la scara nanometrică datorita proprietăților lor specifice determinate de creșterea suprafeței ca urmare a scăderii raportului volum/suprafață.

[anonimizat]/[anonimizat] a mediului înconjurător. Unele dintre proprietățile specifice ale materialelor nanometrice ce conduc la eficientizarea capacității de înlăturare a poluanților din apele și solurile contaminate sunt:

-Suprafața specifica mare.

-Capacitatea de a înlătura anumiți poluanții.

-Posibilitatea de a fi utilizate ca liganzi selectivi pentru anumite elemente toxice si substanțe organice/anorganice dizolvate in medii apoase.

[anonimizat] o structură cristalină asemanătoare.

Hidroxiapatita, (HAp), cu formula generală Ca10(PO4)6(OH)2 face parte din grupul apatitelor și este cea mai cunoscută bioceramică din familia fosfaților de calciu.

Hidroxiapatita Ca10(PO4)6(OH)2 (HAp) [anonimizat], datorită biocompatibilității sale. [anonimizat]; [anonimizat] a absorbi în mod eficient moleculele organice pe suprafața sa.

În ultimii ani proprietățile fotocatalitice ale HAp au fost investigate; într-[anonimizat], au aratat potențialul acestui material. [anonimizat] a [anonimizat].

Fotocataliza

Fotocataliza este un termen general care se referă la o fotoreacție a cărui rată este crescută datorită acțiunii unui catalizator.

Materiale care prezintă activitate fotocatalitică au fost investigate in variate experimente datorită multitudini de aplicații in care joacă un rol important. Când un material fotocatalitic este iradiat cu lumină ce are energia mai mare decat energia de salt un electron (e-) migrează de pe banda de valență pe banda de conducție lăsând o „gaură”(h+) in urmă (care se comportă ca și o sarcină pozitivă). O astfel de pereche fotogenerată (e- , h+) este capabilă să reducă sau să oxideze un poluant absorbit pe suprafața fotocatalitică.

TiO2 este probabil cel mai utilizat fotocatalist la ora actuala. Numeroase studii au arătat proprietățile sale in ceea ce privește fotocataliza fie a fost folosit ca si un film supțiare pe suprafața unor materiale fie ca si pudra sau material solid. A fost demonstrat ca are si anumite proprietăți antibacteriene pe diferite specii de bacterii sau fungi.

Hidroxiapatita este un material cu multe proprietăți interesante si multe aplicații posibile după cum o sa vedem in ceea ce urmează. Multe studii au arătat in anii recenți potențialul acestui material in depoluare dar cel mai importantă proprietate demonstrată in aceste studii este faptul ca este inofensiv pentru oameni si animale ba mai mult el este un material biocompatibil si se folosește la ora actuala ca si material pentru implanturi de oase.

Combinarea in compozite a acestor doua materiale “ minune” prezinta un potențial si mai mare in ceea ce privește depoluare datorita proprietăților combinate a acestora. HAp absoarbe poluanții in special metalele grele iar TiO2-ul ajuta la scădere energiei necesare pentru declanșarea fotocatalizei, împreuna reducând/oxidând poluanții.

Reacțiile fotocatalitice pot fi omogene sau eterogene. În fotocataliza omogenă, atât reactanții, cât și fotocatalizatorul sunt în aceeași fază; În fotocataliza eterogene, dimpotrivă, fazele sunt diferite, fotocatalizatorul fiind, în general, în fază solidă, cu reactanții fiind lichide sau gaze.

În general, fotocatalizatorii eterogenii sunt semiconductori anorganici (SC), dioxid de Titan TiO2 fiind exemplul cel mai frecvent. Pentru a acționa ca fotocatalizator, un astfel de semiconductor ar trebui să aibă o bandă de valență completă și o bandă de conducție goală. Când semiconductorul este iradiat cu lumină a cărei energie este mai mare ca cea a decalajului benzii, un electron va sari de la banda de valență la banda de conducție; Acest lucru va genera o pereche gaura-Electron, în funcție de reacția:

Ambele particule, încărcate pozitiv sau negativ, pot reacționa apoi cu alți compuși chimici cu care sunt în contact; o reacție cu apă sau oxigen molecular, de exemplu, sunt raportate mai jos:

Radicalii și/sau speciile ionice formate pot reacționa în continuare, pentru a forma mai multe specii, care sunt denumite specii reactive cu oxigen (ROS).

Schema de reacție completă este prezentată in partea dreapta a paginii.

ROS poate să reacționeze cu molecule precum contaminanții organici sau speciile gazoase toxice; astfel de reacții pot duce în cele din urmă la o degradare parțială sau completă a acestor molecule.

Un fotocatalizator ar trebui să aibă mai multe caracteristici pentru a fi fiabil în aplicații tehnologice; o caracteristica foarte important este eficiența în foto-generare de particule încărcate (e- și h+),atunci când este supus iradierii cu lungimi de undă specifice. De asemenea, odată ce sarcinile sunt generate, este important să se evite recombinarea lor; recombinarea rapidă este, de fapt, una dintre principalele neajunsuri ale fotocatalizei eterogene.

Hidroxapatita a fost unul dintre materialele studiate în timp ce căuta fotocatalizatori alternativi.

Hidroxiapatita poate avea două structuri: monoclinica (în formă de prisme oblice cu baza dreptunghiulară.) și hexagonală. Cea mai frecventă formă este cea hexagonală. Se pot observa cele două poziții ale calciului Ca(1) și Ca(2)

Hidroxiapatitra hexagonală este componentul principal din oasele umane si animale de aceea este foarte utilizata in biochimie. Ea de fapt mimeaza compoziția si comportamentul oaselor umane deci este utilizata in creearea implanurilor osoase. Pentru aceasta aplicatie se utiliziaza hidroxiapatita cu carbon petru a mima mai bine compozitia oaselor umane.

Aplicatii ale HAp in depoluare mediului
Datorita structurii sale cristaline HAp poate captura eficient ionii metalelor in mod special pe cei divalenti ca și: Pb, Zn, Cd etc. Teoretic exista doua mecanisme posibile de a atrage ionii si anume: Schimbul ionilor de Ca cu ionii metalului bivalent pe de o parte si procesul de dizolvare-precipitare pe de alta parte. Ambele mecanisme sunt favorizate de structura flexibilă a HAp și de faptul ca ionii de Ca sunt pozitionați pe fețele externe ale cristalului. Datorita acestor proprietăți HAp este utilizat in depoluarea apelor si a solurilor contaminate cu ionii metalelor grele.

HAp pura nu este un conducator bun de elctricitate ba mai mult testele arata ca se comporta ca si un izolator dar prezenta unor impuritati sau defecte in structura cristalina pot schimba acest lucru HAp comprtandu-se ca si un fotocatalist

Hidroxiapatita cu incluziunii

Cele mai comune incluziuni pentru optinerea HAp potocatalitica sunt ionii de Ti . Acest compozit (HAp si Ti) se comportă ca și un semiconductor ; acest comportament este datorat formarii unui orbital hibrid prin combinarea orbitalului 2p a atomului de oxigen și orbitalul 3d a atomului de titan ducând la formarea unui nivel electronic aditional care reduce valoare energiei necesare pentru saltul din banda de valența pe banda de conducție.

Totusi studiile arata faptul ca odata cu cresterea concentratiei de Ti scade crstalinitatea hidroxiapatitei.

În anumite conditii de preparare a compozitului apar grupari Ti-OH la suprafata cristalelor. Astfel de grupari pot duce la generarea de specii reactive cu oxigenul (ROS) facand materialul mult mai eficient ca și fotocatalist.

Fotocataliza multifazica cu hidroxiapatită

În 1999 s-a raportat degradarea cu succers a oxizilor de azot sub forma gazoasa cu ajutorul unui compozit pe baza de HAp si TiO2. De asemene in 2006 sa realizat degradarea albastrului de metilen tot cu ajutorul compzitului HAp:TiO2. Considerand rezultatele promitatoare observam ca cobinarea HAp cu TiO2 duce la inbunatatirea activitatii fotocatalitice si in cazul in care se doreste degradarea unor poluanti ce se afla intr-o faza diferita fata de compozit.

Similar sa adaugat in sistemul compozit HAp:TiO2 și Pd (paladiu) care ajuta la degradara poluantilor si in lumina vizibila nu numai in UV ca și in cazul celorlate compozite pe baza de HAp.

Concluzii

În compozitii de fotocataliza hidroxiapatita joaca rolul absorbantului de poluanți, datorita proprietatilor sale fotocatalitice si proprietatile sale de indepartare a metalelor grele .