【Noticias de la industria de la magnetización Jiuju】Métodos de preparación de materiales de perovskita LaCoO₃ y sus efectos catalíticos de degradación en aguas residuales con formaldehído.

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El formaldehído (HCHO) es un contaminante tóxico soluble en agua muy extendido, que proviene principalmente de las emisiones industriales, la volatilización de los materiales de construcción y la liberación de artículos domésticos cotidianos. Este compuesto presenta potentes propiedades carcinógenas y biotóxicas, que causan graves daños al sistema respiratorio e inmunológico humano, al tiempo que alteran el equilibrio de los ecosistemas acuáticos. Por consiguiente, el desarrollo de tecnologías altamente eficaces para la eliminación del formaldehído reviste una gran importancia para salvaguardar la salud humana y mantener la estabilidad de los ecosistemas. Los métodos existentes para la degradación del formaldehído abarcan principalmente técnicas de adsorción, biodegradación y oxidación catalítica. Entre ellos, la oxidación catalítica se ha convertido en un tema clave de investigación debido a sus ventajas de degradación completa y ausencia de contaminación secundaria.

Los óxidos de perovskita (ABO₃) poseen estructuras cristalinas únicas, una excelente conductividad electrónica y una actividad catalítica estable, lo que les ha permitido lograr avances significativos en campos de catálisis heterogénea como la oxidación de CO y la degradación de compuestos orgánicos volátiles. El óxido de lantano y cobalto (LaCoO₃), como material perovskita representativo, posee capacidades catalíticas de oxidación potenciales debido al estado de valencia ajustable de su componente activo, el cobalto (Co). Sin embargo, la investigación sobre el LaCoO₃ para la degradación del formaldehído en sistemas acuosos sigue siendo relativamente escasa, y sus mecanismos de regulación de la actividad catalítica y sus vías de reacción aún no se han dilucidado por completo.

En este contexto, el presente estudio empleó el método sol-gel para sintetizar catalizadores de LaCoO₃ de tipo perovskita con diferentes relaciones molares de lantano y cobalto. Se investigó sistemáticamente el rendimiento de los catalizadores en la degradación catalítica del formaldehído en soluciones acuosas a temperatura ambiente. Se utilizaron técnicas de caracterización de materiales y experimentos de extinción de radicales para dilucidar el mecanismo catalítico subyacente. Las pruebas de rendimiento catalítico demostraron que los catalizadores de LaCoO₃ preparados mostraban una actividad de degradación del formaldehído excepcional. En comparación con los catalizadores heterogéneos convencionales (como los óxidos de metales de transición y los catalizadores soportados por metales preciosos), el tiempo necesario para la degradación completa del formaldehído se redujo de 119 minutos a 10 minutos, lo que representa un aumento de doce veces en la eficiencia de degradación. Cabe destacar que el catalizador mostró una actividad de degradación óptima con una relación molar de lantano-cobalto de 1:1. La eliminación completa del formaldehído de las soluciones acuosas se logró en 10 minutos a temperatura ambiente. Además, después de tres ciclos de reutilización, la tasa de degradación se mantuvo por encima del 95 %, lo que demuestra una excelente estabilidad.

Para dilucidar las causas intrínsecas de las diferencias en la actividad catalítica, este estudio empleó espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) para analizar los estados electrónicos superficiales de catalizadores con diferentes relaciones molares de lantano-cobalto. Los resultados indican que, a medida que aumenta la relación molar de lantano-cobalto, el contenido relativo de Co²⁺ en la superficie del catalizador disminuye gradualmente, mientras que el contenido de Co³⁺ aumenta de forma correspondiente. La correlación con los datos de rendimiento catalítico revela una relación positiva entre la actividad de degradación del formaldehído y el contenido de Co²⁺. Esto indica que el Co²⁺ actúa como sitio activo clave que promueve la oxidación y degradación del formaldehído. A través del ciclo de estado de valencia Co²⁺/Co³⁺, participa en reacciones redox, acelerando la generación de especies activas.

Para identificar las especies activas primarias en el proceso de reacción, en este estudio se llevaron a cabo experimentos adicionales de extinción de radicales. Se añadieron al sistema de reacción un extintor de radicales sulfato (SO₄・⁻) (etanol anhidro) y un extintor de radicales hidroxilo (・OH) (terc-butanol), respectivamente. Los resultados experimentales demostraron que la adición de ambos extintores inhibía significativamente la eficiencia de degradación del formaldehído. Concretamente, la tasa de degradación disminuyó un 68,1 % tras la adición de etanol anhidro y un 52,1 % tras la adición de terc-butanol, lo que confirma que SO₄・⁻ y ・OH son las especies activas primarias en la degradación del formaldehído. Basándose en estos hallazgos, este estudio propone que el mecanismo de reacción para la degradación del formaldehído catalizada por LaCoO₃ es una reacción de oxidación heterogénea similar a la de Fenton: el Co²⁺ de la superficie del catalizador reacciona con los oxidantes del sistema (como el oxígeno disuelto o el peróxido de hidrógeno) para generar SO₄・⁻ y ・OH, que luego descomponen oxidativamente el formaldehído en CO₂ y H₂O mediante una fuerte oxidación.

Este estudio proporciona la primera confirmación experimental del potencial de aplicación del LaCoO₃ de tipo perovskita en la degradación del formaldehído en sistemas acuosos. Aclara el mecanismo regulador de la relación molar entre el lantano y el cobalto en la actividad catalítica y revela la vía de reacción de la oxidación heterogénea de tipo Fenton. Estos hallazgos establecen una base teórica y una referencia técnica para el desarrollo de catalizadores altamente eficientes y estables a temperatura ambiente para la degradación del formaldehído.

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