Decomposizione catalitica dell'ozono e rimozione dei COV adsorbenti nei metalli bimetallici

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4991 (2022) Citare questo articolo

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L’ozono atmosferico è stato a lungo una minaccia per la salute umana, tuttavia, la progettazione razionale di catalizzatori per la decomposizione dell’O3 ad alte prestazioni rimane impegnativa. Qui, dimostriamo il grande potenziale di una serie di MOF bimetallici isomorfi indicati come PCN-250(Fe2M) (M = Co2+, Ni2+, Mn2+) nella decomposizione catalitica dell'O3. In particolare, PCN-250(Fe2Co) ha mostrato un'efficienza di rimozione di O3 del 100% per un flusso d'aria continuo contenente 1 ppm di O3 in un ampio intervallo di umidità (0 ‒ 80% RH) a temperatura ambiente. Gli studi sui meccanismi hanno suggerito che le elevate prestazioni catalitiche hanno avuto origine dall'introduzione di siti aperti di Co(II) e dalla sua struttura porosa. Inoltre, a basse pressioni intorno a 10 Pa, PCN-250 (Fe2Co) ha mostrato elevate capacità di adsorbimento (89 ‒ 241 mg g−1) per la maggior parte dei COV, che non sono solo una classe di inquinanti atmosferici pericolosi ma anche il precursore di O3. Questo lavoro apre una nuova strada per sviluppare materiali avanzati per la purificazione dell'aria per la rimozione di O3 e COV in uno solo.

L’ozono troposferico (O3) rappresenta da tempo una minaccia per la salute umana, soprattutto nelle aree urbane1,2,3. L'O3 all'aperto è generato principalmente dalle reazioni fotochimiche tra biossido di azoto e composti organici volatili (COV) nell'aria esposta alla luce solare4,5. L'O3 interno proviene dallo scambio d'aria interno-esterno e alcune fonti di emissione includono fotocopiatrici, stampanti laser, lampade ultraviolette e disinfettanti O36,7,8. Pur essendo altamente reattivo come agente ossidante molto forte, l'O3 stesso è relativamente stabile e quasi non si decompone spontaneamente in ossigeno (O2) alle concentrazioni (livello ppb) che si riscontrano tipicamente nell'aria ambiente6. Numerosi studi hanno dimostrato il potenziale rischio di mortalità respiratoria e cardiovascolare per il corpo umano dopo un'esposizione a lungo termine all'aria con tracce di O39,10. L'Organizzazione Mondiale della Sanità ha raccomandato che la concentrazione massima giornaliera di O3 nell'aria ambiente su 8 ore superiore a 100 μg m−3 (∼51 ppb) comporta rischi per la salute11. Tuttavia, il verificarsi di un grave inquinamento da O3 durante la stagione calda è diventato più frequente negli ultimi anni sia per i paesi in via di sviluppo che per quelli sviluppati7,12. Ad esempio, le osservazioni sul campo e i dati satellitari rivelano che le concentrazioni massime orarie di O3 osservate in Cina spesso superavano i 150 ppb (grave inquinamento da O3)13,14. Lo studio per ridurre l'inquinamento da O3 è quindi molto richiesto per la protezione dell'ambiente e della salute umana.

Gli approcci esistenti per rimuovere l'O3 dall'aria ambiente si basano tipicamente su metodi di adsorbimento con carbone attivo, assorbimento chimico e decomposizione catalitica15,16,17,18. Tra questi, la decomposizione catalitica dell'O3 in O2 a basse temperature è promettente per la sua facilità di funzionamento, alta efficienza, buona persistenza e rispetto dell'ambiente19,20. Negli ultimi decenni sono stati compiuti progressi significativi nella degradazione catalitica dell’O3 utilizzando principalmente ossidi di metalli di transizione (Mn21, Fe22, Co23, Ni24 e Cu25). Essendo una classe di materiali appena emersi, le strutture metallo-organiche (MOF) hanno suscitato grande interesse in varie reazioni catalitiche a causa della loro struttura sintonizzabile e delle diverse funzionalità, inclusa la decomposizione catalitica dell'O326,27,28,29,30,31. Inoltre, rispetto agli ossidi dei metalli di transizione, i MOF possono avere strutture altamente porose, quindi possono offrire siti extra cataliticamente attivi sulla superficie interna dei pori e persino servire come materiali multifunzionali avanzati per decomporre O3 e rimuovere altre molecole pericolose disperse nell'aria mediante adsorbimento simultaneo32,33, 34,35,36. In effetti, esistono tipi di inquinanti atmosferici in alcuni scenari applicativi reali. Ad esempio, il plasma non termico (NTP) è una tecnologia altamente efficiente per la rimozione dei COV ed è stata ampiamente utilizzata negli ultimi due decenni, ma i gas esausti dei reattori NTP solitamente contengono il sottoprodotto O3 nonché alcuni COV non completamente decomposti37. . È quindi altamente desiderabile, ma ancora impegnativo, sviluppare MOF altamente efficienti, porosi e stabili come materiali multifunzionali per il filtraggio dell'aria.