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ICM论文 | 苏州大学路建美教授团队：天然矿物型压电催化新材料为土壤污染治理提供环保新方法
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文章导读
多环芳烃（PAHs），作为工业用地残留的主要持久性有机污染物，对生态系统造成了长期性的危害。传统的治理方法由于传质过程慢、处理效率低等缺点，难以满足实际需求。压电催化作为近年来发展迅速的能源转化新技术，通过超声或搅拌的实施方式施加机械振动引起材料内部晶格畸变，从而产生压电催化效应，用于土壤中PAHs的催化降解，可有效提高土壤体系的传质效率，在土壤有机污染物治理方面表现出巨大潜力。
羟基磷灰石（HAP）作为一种具有压电催化活性的天然矿物质，在压电催化土壤治理领域中具有环境友好的独特优势。苏州大学路建美教授研究团队从材料结构设计出发，通过简单的离子交换法合成了梯度氟掺杂的羟基磷灰石核壳材料（HAP@FAP），诱导产生晶格应变梯度，引入挠曲电与压电耦合效应，增强HAP的压电催化活性。讨论了超声功率、催化剂用量和水土比例等因素对压电催化土壤中多环芳烃降解性能的影响，提出了HAP@FAP压电催化降解PAHs的机理。因此，本项工作为压电催化材料改性设计及其在工业土壤污染治理中的应用提供了新方法。
图文摘要：离子交换法合成梯度氟掺杂HAP@FAP核壳结构压电材料
本文亮点
★ 合成了一种梯度氟掺杂的羟基磷灰石核壳结构材料，用于压电催化土壤中多环芳烃的降解。
★ 梯度氟掺杂诱导产生应变梯度，引入挠曲电与压电耦合效应，提高催化降解性能。
★ 羟基磷灰石作为天然矿物质，在土壤治理领域中具有环境友好的独特优势。
图文解读
1. 形貌与结构表征
通过离子交换法合成的HAP@FAP与原始HAP均呈现出均匀的纳米棒形貌，不同于F(1.5)-HAP固溶体纳米晶的六棱柱，表明离子交换反应只发生在HAP表面，引入梯度氟掺杂而未发生相转变。
图1. 羟基磷灰石压电材料的形貌表征
进一步通过X射线衍射（XRD）、傅里叶转换红外光谱（FTIR）以及X射线光电子能谱（XPS）证明了HAP@FAP中的梯度氟掺杂核壳结构，只有HAP表层的部分羟基被氟取代，核层仍保持着HAP的晶体结构，从而形成了梯度氟掺杂的核壳结构。
图2. 梯度氟掺杂磷灰石核壳结构表征
2. 压电特性测试
通过压电响应力显微镜（PFM）与压电流测试表征HAP@FAP核壳结构的压电性，由于梯度氟掺杂形成的晶格应变梯度产生了挠曲电与压电的耦合效应，HAP@FAP表现出增强的d33压电系数以及最强的压电流信号，具有最佳电荷转移与分离效率。
图3. 压电响应与压电流表征
3. 压电催化土壤污染物降解性能
以含菲（PHE）的高岭土（200 mg kg-1）模拟污染土壤在超声振动下进行降解实验，HAP@FAP表现出最佳的压电催化性能，120 min后PHE降解率达79%，速率常数为0.01389 min-1，分别为HAP和F(1.5)-HAP的2.33及1.65倍，梯度氟掺杂核壳结构中应变梯度引入的挠曲电效应显著增强了压电催化活性。同时，考察了催化剂用量、水土比等条件对催化降解性能的影响。
图4. 压电催化土壤中PHE的降解性能及其影响因素的考察
4. 压电催化降解机理
梯度氟掺杂的HAP@FAP核壳结构中，产生了核壳方向上的晶格应变梯度，诱导挠曲电耦合增强压电效应，提高压电催化活性。在连续超声振动下，HAP@FAP发生形变而产生极化电场驱动电荷载流子迁移至纳米晶表面，生成活性氧物种（·OH和·O2-），用于催化PHE氧化降解，最终转化为CO2和H2O，达到土壤污染物无害化处理的目的。
图5. 超声振动下HAP@FAP的压电催化降解机理示意图
总结与展望
本工作中通过简单的离子交换反应，合成了梯度氟掺杂的HAP@FAP核壳结构，其内部结构不均匀性诱导晶格应变梯度的产生，在压电催化过程中引入挠曲电耦合效应，显著提升了土壤中PHE的催化降解率。另一方面，超声振动的实施方式有效促进PHE在土壤中的传质过程，提升了在HAP@FAP表面发生催化反应的效率。同时，由于HAP良好的环境友好性，能够很好地满足原位土壤修复的要求，在规模化土壤治理方面具有潜在的应用前景。
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本文来自苏州大学路建美教授研究团队发表在Industrial Chemistry & Materials的文章：Flexoelectricity in hydroxyapatite for the enhanced piezocatalytic degradation of phenanthrene in soil, https://doi.org/10.1039/D3IM00093A
引用信息: Ind. Chem. Mater., 2023, DOI: 10.1039/D3IM00093A
作者简介
通讯作者
路建美，苏州大学教授、博士生导师，曾任苏州大学党委副书记、副校长，现任苏州市科协主席。当选俄罗斯工程院外籍院士、英国皇家化学会会士、中国化工学会会士、中国化学会会士。路建美教授长期从事化工吸附分离新材料及新技术开发，形成了从基础研究到产业化应用的“贯通式”研究。相关成果获国家技术发明奖二等奖 2 项（均为第一完成人）、国家科技进步奖二等奖 1 项、第三届全国创新争先奖、何梁何利基金科学与技术创新奖、英国皇家化学会 Horizon Prize以及教育部自然科学奖一等奖 、江苏省科学技术一等奖等省部级科研奖励12项（均为第一完成人）。作为通讯联系人在J. Am. Chem. Soc. (2)、Adv. Mater. (12)、Angew. Chem. Int. Ed. (15)、Nat. Commun. (3) 等高质量期刊发表 SCI 论文 500 余篇，主/参编专著 7 部，h指数为69，总被引达19700余次。获授权发明专利 226项（其中美国专利 44项），已有 40 多项技术成果实现产业化。主持国家自然科学基金重点项目（2项）、国家重点研发计划（2项）、国家科技支撑计划（2项）等各级纵向科技项目超过60项。入选2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。
第一作者
韩俊，苏州大学材料化学与化工学部博士研究生，研究方向为新型压电材料的设计合成及其在吸附协同催化方面的应用研究。
撰稿：原文作者
排版：ICM编辑部
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期刊简介
Industrial Chemistry & Materials (ICM) 目前已被DOAJ、Google Scholar检索，是中国科学院主管，中国科学院过程工程研究所主办，英国皇家化学会（RSC）全球出版发行的Open Access英文期刊，由中国科学院过程工程研究所张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础，以交叉为特色，以应用为导向，重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破，目前对读者作者双向免费。欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享！
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