文献速递|东南大学SPT:高金属负载亚纳米团簇催化剂通过生成高价铜来增强类芬顿反应活性,从而降解新兴污染物

文摘   2025-01-21 08:15   天津  
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第一作者:Zonghao Liu

通讯作者:宋敏 青年首席教授

通讯单位:东南大学能源与环境学院

DOI:10.1016/j.seppur.2024.129794









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在生物和仿生过程中,高价铜(Cu(III))是单键-氢键功能化的关键中间体,由铜酶促进并由多铜氧化酶稳定。本文通过炭化纳米片状金属-有机骨架(MOF),激活过氧单硫酸盐(PMS)生成Cu(III),促进双酚a的降解,合成了一种高金属含量(29.1 wt%)且Cu分布均匀的氮掺杂铜亚纳米簇催化剂(SNC)。SNC的降解性能优于用块状MOF碳化的催化剂,并与报道的单原子催化剂相匹配。氮掺杂减少了Cu3d轨道的电子,增强了其与PMS分子内氧原子的键合,从而促进了Cu(III)的生成。Cu-SNC/PMS体系还显示出对阴离子、pH变化和不同水基质的强大抗性。重要的是,它可以通过Cu(III)的氧原子转移选择性地降解富电子污染物。该研究为SNC的制备、高价金属的控制形成及其在fenton类反应中降解污染物的作用提供了新的视角。








图文摘要







引言

本文选择了cu基MOF纳米片,成功制备了高金属负载的Cu-SNC,其中通过热解过程中加入三聚氰胺实现了N掺杂。用Cu- snc激活PMS生成Cu(III)促进双酚A (BPA)降解,并将其性能与先前报道的SACs进行比较。同时,Cu-SNC/PMS工艺对双酚AF (BPAF)、磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺乙嘧啶(SMT)、对硝基酚(p-NP)、硝基苯(NB)、四环素(TC)和土霉素(OTC)等新兴污染物(ECs)表现出较高的选择性,这是由于它们的电离电位(IP)值不同所致。值得注意的是,BPA和BPAF被归类为内分泌干扰化合物(EDCs), SDZ和SMT分别被归类为典型的磺胺类药物,p-NP和NB被广泛应用于农药生产,TC和OTC是代表性抗生素。进一步的研究评估了无机阴离子、pH和水基质对Cu-SNC/PMS系统降解BPA性能的影响。电子顺磁共振(EPR)谱、淬火实验、探针法和原位拉曼测量表明,Cu(III)在其中起主导作用。此外,通过密度泛函理论(DFT)计算探讨了N掺杂增强PMS活化的机制。最后,基于DFT计算和中间体分析,探讨了Cu-SNC/PMS体系降解ECs的选择性机理。我们的研究结果为高金属负载SNC的合理设计和Fenton-like反应中ec的选择性降解提供了新的见解。





同位素标记技术

图文导读

Fig. 1(a) Formation process of n-CuCN and b-CuCN catalyst, respectively. TEM images of (b) b-CuBDC and (c) n-CuBDC. (d) XRD pattern of n-CuCN and b-CuCN catalyst. (e, f) TEM and HRTEM images, (g) SAED image, (h) AC-HAADF-STEM image, and (i) the corresponding HAADF-STEM image and EDS mapping of the n-CuCN sample, respectively. (j) Composition summary of metal loading in the as-prepared sub-nanocluster catalysts.

Fig. 2The XPS spectra of (a) Cu2p3, (b) Cu LMM of the n-CuCN sample, and N 1s of (c) the n-CuCN and (d) the CN samples.

Fig. 3(a) BPA degradation in various catalyst/PMS systems. (b) k values of BPA degradation in n-CuCN/PMS, b-CuCN/PMS, and CN/PMS processes. (c) Kinetics of BPA degradation via PMS activation by the state-of-the-art catalysts. (d) Effects of different anions, HA, initial pH, and different water matrices on the BPA degradation efficiency. (e) Degradation efficiencies and corresponding IP values of different ECs in n-CuCN/PMS process. (Conditions: [catalysts] = 0.1 g/L; [pollutants] = 10 mg/L; [PMS] = 1 mM (in a, b, d, and e); [PMS] = 0.25 mM (in c); [anions] = 1 mM; [HA] = 10 mg/L; pH = 5.5).

Fig. 4(a) Effects of reactive oxidation species scavengers on BPA degradation. (b, c) EPR spectra in the n-CuCN/PMS process using DMPO and TEMP as trappers, respectively. (d) BPA degradation in the process of premixing n-CuCN and PMS. (e) In-situ Raman of n-CuCN in the presence of PMS. (f) Cu2p3 XPS spectra of the used n-CuCN catalyst. (g) The proposed mechanism for Cu(III) generation in the n-CuCN/PMS process. (Conditions: [catalyst] = 0.1 g/L; [BPA] = 10 mg/L; [PMS] = 1 mM; pH = 5.5; [EtOH] = 500 mM, [MeOH] = 500 mM, [TBA] = 500 mM, and [FFA] = 20 mM).

Fig. 5(a, b) Electron density distribution of CuC and CuCN, respectively. (c) Bader charge of Cu atom in CuC and CuCN. (d) DOS of Cu3d in CuC and CuCN. (e) DOS of Cu and N in CuCN.

Fig. 6(a, b) Charge density difference of PMS on CuC and CuCN, respectively. (c) DOS of Cu3d and O2p in CuCN-PMS*. (d) ICOHP of the −Cu–O- bond in CuC-PMS* and CuCN-PMS*.








研究意义

在本研究中,利用纳米薄片MOF合成了高金属负载(29.1 wt%)的SNC催化剂(n-CuCN)。n-CuCN/PMS降解双酚a的活性为0.51 min−1,分别是b-CuCN/PMS和CN/PMS的45.1倍和128.5倍。此外,n-CuCN/PMS工艺对pH变化、有机阴离子和水基质具有较强的抗性。此外,n-CuCN催化剂对具有较低IP值的富电子ec表现出优异的选择性降解。在n-CuCN/PMS过程中,Cu(III)被确定为主要的ROS,吸附的HSO4−是Cu(III)生成的关键中间体。N掺杂降低了Cu三维轨道的电子密度,促进了PMS在Cu位点的吸附和活化。在n-CuCN/PMS过程中,对BPA、SMT和TC的降解均检测到M + 16和M + 32产物。一个氧原子从Cu(III)转移到目标污染物有助于n-CuCN/PMS系统在ec降解中的选择性。综上所述,本研究提出了一种新颖的SNCs合成策略,并为PMS激活机制提供了新的见解。


文献信息

Zonghao Liu, Yan Zhao, Xian Cao, Chaoqun Tan, Shaofeng Wang, Chengye Song, Jiahao Lai, Zhihao Wang, Min Song, High metal-loaded sub-nanocluster catalyst enhanced Fenton-like reaction activity for emerging contaminants degradation by generating high-valent copper, Separation and Purification Technology, 2025, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129794



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