将鸡骨废弃物升级再造为羟基磷灰石负载NiFe2O4作为光催化剂用于染料污染水处理

《Sustainable Chemistry One World》：Upcycling Chicken Bone Waste into Hydroxyapatite-supported NiFe 2O 4 as photocatalyst for Dye-contaminated Water Treatment

　　

摘要

本研究成功研究了利用升级回收的鸡骨废物制备的羟基磷灰石负载 NiFe₂O₄纳米复合材料。通过不同的分析方法研究了该材料的合成，例如 X 射线衍射图案、X 射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱、扫描电子显微镜 - 能量色散 X 射线分析、透射电子显微镜、漫反射紫外 - 可见光谱以及电子阻抗谱。研究了该材料对溴酚蓝光催化降解的光催化活性。结果表明 NiFe₂O₄ 纳米尖晶石均匀分散且具有有序的形态，晶粒尺寸为 65.54?纳米。根据动力学研究，发现纳米复合材料表现出光催化活性以降解溴酚蓝，这与材料的物理化学特征有关，包括材料的带隙能和电子特性。该纳米复合材料表现出光学和电子特性，其带隙能为 2.7?电子伏特，并且与羟基磷灰石相比，电子 - 空穴对的分离更加有效。该纳米复合材料表现出光学和电子特性，其带隙能为 2.7?电子伏特，并且与羟基磷灰石相比，电子 - 空穴对的分离更加有效。

引言

过去几十年间城市垃圾、工业垃圾、电子垃圾和食品垃圾的快速产生是环境可持续性面临的紧迫挑战。特别是，食品垃圾在增加的同时，由于人口增长、各种食品保存方式、其对全球气体排放的影响、土地使用的巨大减少、加剧气候变化和粮食不安全，对大气环境构成了同时的危险。将废物转化为增值材料是创新策略之一，可结合循环经济原则以支持可持续的废物管理实践。各种食品废物中的骨骼是广泛开发的生物资源之一，用于制备钙基无机复合材料，如 CaTiO₃、CaSiO₂ 和羟基磷灰石[1]、[2]、[3]、[4]。先前的研究表明，源自各种骨废物的羟基磷灰石基纳米复合材料在吸附、催化和光催化应用方面表现出活性。此外，此类过程有助于解决其他与环境污染物净化相关的严重环境问题，包括几种有毒和持久性化合物。观察发现，基于羟基磷灰石的光催化剂材料在活性和稳定性方面具有优势 [5]。通过磷酸基团参与吸附机制并进一步增强光氧化机制，获得了增强的光活性。此外，用磁性材料对羟基磷灰石进行功能化在应用方面具有效果，便于分离，通常与可重复使用性相关。另一方面，含金属铁氧体的纳米复合材料是一类有吸引力的材料，表现出化学稳定性，以支持羟基磷灰石特性的优势用于光催化应用。

NiFe?O? 是一种尖晶石铁氧体基材料，已知具有适合光催化活性的半导体带隙。然而，纯 NiFe?O? 的使用通常受限于颗粒团聚和比表面积低，这减少了光吸收和与有机污染物的相互作用 [6]。NiFe?O? 与羟基磷灰石的结合预计会产生具有协同吸附 - 光催化特性的混合复合材料，据我们所知，尚未有人研究过这一点。羟基磷灰石通过增加比表面积和吸附能力做出贡献，而 NiFe?O? 增强了光照下的光催化活性。

鸡骨是大量存在的食品垃圾之一，约占每年 1.3 亿吨动物骨废物的部分 [7]。已证明高钙含量有潜力转化为羟基磷灰石，然而，据我们所知，尚未报告过将其转化为含有磁性金属铁氧体 NiFe₂O₄ 的功能化形式。基于这一背景，利用鸡骨制备 NiFe?O?/羟基磷灰石纳米复合材料的制备预计是一个保存低成本光活磁性材料的创新想法。检验了光活性以降解染料溶液，在本研究中选择了溴酚蓝（BPB），因为它广泛应用于各种行业。溴酚蓝用作凝胶电泳中的追踪标记用于医学分析，用作工业或环境应用中某些分析程序的指示剂试剂，此外还广泛用于印刷、油漆、纺织品和织物生产。由于其结构由四个溴原子取代的三苯甲烷/磺酞环框架连接到一个磺基组成，溴酚蓝表现出高度持久性。根据美国环境保护署（USEPA）和职业安全与健康管理局（OSHA）的规定，染料被归类为有害污染物；在浓度高于 0.0064?毫克/升时，它对水环境有毒且有害 [8]、[9]。

章节片段

材料

本研究使用的鸡骨废物收集自印度尼西亚 Sleman 区的一家鸡肉餐厅。收集到的骨头通过煮沸去除仍附着的肉，然后进行清洗和干燥。干燥材料被压碎成小块，然后在 1000?^oC 下煅烧 2?小时以得到氧化钙。进行了 EDX 分析以评估获得的粉末中的钙和磷含量，并进而确定羟基磷灰石形成中的比例。其他

材料表征

羟基磷灰石和 NiFe?O?/Hap 的形成的鉴定基于 XRD 分析，图案显示在图 2 中。在 2θ = 26.1°、28.2°、31.6°、32.5°、34.7°、40.1°、42.2°、46.5°、49.6°、53.5°和 64.17°检测到羟基磷灰石的特征峰，对应于晶面 (002)、(102)、(211)、(112)、(202)、(310)、(311)、(131)、(222)、(212) 和 (004)，这与六方羟基磷灰石的 JCPDS 编号 09-0432 一致 [10]、[11]。这些峰的存在表明形成的

结论

总之，成功制备了利用鸡骨作为生物钙源的羟基磷灰石负载 NiFe₂O₄ 创新纳米复合材料。对制备的纳米复合材料的物理化学表征，使用 XRD、XPS、SEM、FTIR、拉曼光谱和 TEM 进行检查，代表了具有高结晶度的材料，具有有序的形态和粒径。纳米复合材料的光学和电子特性显示了足够的带隙能和电子传输，这是

CRediT 作者贡献声明

Is Fatimah：撰写 – 初稿，方法论，形式分析，概念化。Zakiyya Salma Hamidah：调查，形式分析，数据整理。Suresh Sagadevan：撰写 – 审阅与编辑，方法论，调查，资金获取。Nunung Nurlaela：形式分析，数据整理。Azlan Kamari：方法论，形式分析，数据整理。Won-Chun Oh：撰写 – 审阅与编辑，软件，方法论，调查。Ruey-an Doong：撰写 – 审阅与编辑，方法论，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

Is Fatimah|Zakiyya Salma Hamidah|Nunung Nurlaela|Suresh Sagadevan|Won-Chun Oh|Azlan Kamari|Deblina Roy|Ruey-an Doong