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在Ti₃C₂基MXene上锚定钴原子（Co-SA/MXene）成功实现了卓越的催化性能，用于消除水中微污染物。本研究首次提出了一种蚀刻-剥离-还原耦合方法，以富集钛空位。制备的Co-SA/MXene在雷尼替丁去除中的效率达到100%，其反应动力学常数（μmol/s·g）相比现有最佳技术提升了1.11至6643.53倍。富钛空位的引入通过加速Co(II)与Co(III)的价态循环显著延长了材料的使用寿命，并有效抑制了有毒Co²⁺的溶出。密度泛函理论（DFT）研究表明，OII/OIII双原子更适合PMS（过氧单硫酸盐）的吸附，具有更强的吸附能，同时为¹O₂的选择性生成机制提供了新的见解。该研究揭示了雷尼替丁的氧化行为，并为快速去除水中微污染物建立了一种极具吸引力的水处理技术。
1. 首次通过蚀刻-剥离-还原耦合方法在MXene中引入丰富的钛空位，从材料设计角度提供了全新方法。 2. 基于单原子钴的设计实现了显著提升的PMS活化效率和污染物降解能力，超越现有催化剂性能。 3. 通过抑制Co²⁺的溶出，解决了钴基催化剂在水处理中的潜在毒性问题，提高了环境友好性。 4. 利用DFT计算深入解析了PMS活化的分子机制，为¹O₂的生成路径提供了新的理论基础。 1. 针对其他过渡金属或二维材料设计类似的空位工程以提升催化性能。 2. 聚焦于减少催化剂在实际应用中的二次污染问题，为水处理领域提供绿色解决方案。 3. 探索Co-SA/MXene在其他污染物去除中的潜力，如抗生素或持久性有机污染物的降解。 4. 利用DFT等计算工具预测不同材料的催化性能，为实验研究提供指导。 1. 开发兼具催化降解和吸附功能的复合材料，以提高污染物去除效率。 2. 结合智能传感器，实时监测催化剂在水处理过程中的性能变化，优化操作条件。 3. 针对不同二维材料（如石墨烯或黑磷），研究空位调控对其性能的影响，以扩展技术的适用性。 4. 优化材料制备方法以降低成本，并进行生命周期分析（LCA），确保其在实际应用中的经济可行性。 5. 将MXene基催化剂与光催化技术结合，实现多模式污染物降解，提升处理效率。 1. 在Ti₃C₂基MXene中锚定多种金属单原子（如Fe、Ni、Mn），探索协同催化作用对PMS活化和污染物去除效率的提升机制。2. 开发精准调控空位浓度和类型的方法，系统研究空位类型对电子结构、吸附性能及催化活性的影响。 3. 改变MXene表面的终止基团（如-OH、-F、-Cl），分析其对电子结构的影响及在PMS活化中的作用。 4. 使用原位表征技术实时观察催化反应过程，揭示钛空位、单原子钴与PMS活化的动态相互作用。 5. 将Ti₃C₂基MXene与其他功能性材料复合，构建具有多级结构的催化剂，提高其在复杂水环境中的适应性和稳定性。 6. 针对不同类型的污染物，通过调控催化剂表面化学特性和反应条件，优化其对目标污染物的选择性降解性能。 ![]()
Ti3C2-based MXene anchoring single-atom Co as a long-lasting peroxymonosulfate activator enabling efficient water decontamination：Deciphering the critical role of titanium vacancies
Appl. Catal. B Environ. Energy (IF 20.2)
Pub Date : 2024-12-21
DOI : 10.1016/j.apcatb.2024.124966
Yue Xin, Hongjie Wang, Hao Xue, Qiang Li, Huanxin Li, Yue Zhang, Yanzhi Dong, Haijiao Xie, Yiyang Ma
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