文献速递|南京理工大学ASS:在风琴状管状氮化碳基质中封闭钴位点,以激活PMS,从而产生SO4·-和理想的单线态氧

文摘   2024-12-08 08:08   天津  
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第一作者:殷俞 副教授

通讯作者:殷俞 副教授/崔升 教授

通讯单位:南京理工大学材料科学与工程学院

DOI:10.1016/j.apsusc.2024.161535









全文速览

氮化碳(C3N4)被制作成内部中空的风琴状管状形态。原子分散的 Co 位点被成功地封闭在手风琴状管状 C3N4(atCN)基体中,并与 N 以 Co-N4 构型配位。得到的 Co-atCN 催化剂被用于过一硫酸盐(PMS)活化,以降解 4-氯苯酚(4-CP)。最佳的 2.9Co-atCN/PMS 系统只需 10 分钟就能完全降解 4-CP(k = 0.426 min-1)。当使用具有半空心内壁的风琴状管状 C3N4(atCN-sh)时,2.9Co-atCN-sh/PMS 系统仅用了 60 分钟就降解了 72.0% 的 4-CP(k = 0.020 min-1)。此外,2.9Co-atCN/PMS 在去除多种污染物(如甲基橙 (MO)、亚甲基蓝 (MB)、2,4,6-三氯苯酚 (TCP) 和对乙酰氨基酚 (ACT))方面表现出卓越的活性。去除率分别在 5 分钟、45 分钟、45 分钟和 20 分钟内达到 100%。此外,2.9Co-atCN/PMS 系统还具有良好的抗环境干扰能力。电子顺磁共振(EPR)和淬灭试验表明,2.9Co-atCN/PMS 反应体系在降解 4-CP 的过程中会产生 -OH、SO4-、O2- 和 1O2。








图文摘要







引言

本文制备了具有独特手风琴状特征的六边形管状 C3N4,其内部分为全空心和半空心两种,分别称为 atCN 和 atCN-sh。原子分散的 Co 位点是活化 PMS 最有效的金属物种之一,Co-N4 配位首次成功地将其限制在 atCN 矩阵中,用于基于 PMS 的污染物降解。研究人员对所制备的 Co-atCN 和 Co-atCN-sh 同等样品的物理化学性质进行了深入研究。并全面研究了它们对 PMS 诱导的 4-氯苯酚(4-CP)的去除性能。除 4-CP 外,还考察了 Co-atCN/PMS 系统对多种有机污染物的去除活性,如甲基橙(MO)和甲基蓝(MB)两种染料、2,4,6-三氯苯酚(TCP)和对乙酰氨基酚(ACT)药物。此外,还检测了 Co-atCN/PMS 系统在添加各种无机离子后、在较宽的 pH 值范围内以及在不同水源中的性能。机理研究揭示了 Co-atCN/PMS 系统在 AOPs 中产生的 ROS。此外,还对 4-CP 降解的主要活性物种进行了探究,以揭示其具有良好抗环境干扰能力的主要原因。





同位素标记技术

图文导读

Fig. 1Schematic diagram of fabricating atomically dispersed Co sites within the accordion-like tubular C3N4 with entirely hollow interior (Co-atCN).

Fig. 2(A-B) XRD patterns of C3N4 and Co modified samples; SEM images of (C) atCN-sh, (D) 2.9Co-atCN-sh, (E) atCN, (F) 2.9Co-atCN; (G-J) SEM images and corresponding EDS elemental mapping of 2.9Co-atCN.

Fig. 3(A) XPS survey spectra of atCN and 2.9Co-atCN; (B) XPS spectrum of Co 2p region of 2.9Co-atCN; XPS spectra of atCN and 2.9Co-atCN for (C-D) C 1s region, (E-F) N 1s region.

Fig. 4(A) AC HAADF-STEM image of 2.9Co-atCN; (B) Co K-edge XANES, (C) k3-Weighted χ(k) function, and (D) Fourier-transformed EXAFS spectra of Co foil, CoO, Co2O3, and 2.9Co-atCN; (E) Wavelet transform of EXAFS spectrum of 2.9Co-atCN; (F) the EXAFS fitting of 2.9Co-atCN at R space.

Fig. 5Catalytic degradation of 4-CP by (A-B) various catalysts under PMS activation; influences of different reaction conditions in the 2.9Co-atCN/PMS system: (C) temperatures, (D) inorganic anions and cations, (E) initial and constant pH, (F) other contaminants, (G) various water matrix. (Experimental parameters if not specified: [Cat]0 = 0.2 g·L−1, [PMS]0 = 2.0 g/L, [Contaminant]0 = 20 mg·L−1, [leaching Co2+]0 = 0.43 mg·L−1, [HCO3]0 = [Cl]0 = [SO42–]0 = [NO3]0 = [K+]0 = [Ca2+]0 = [Na+]0 = [Mg2+]0 = 5.0 mM, T = 25 °C).

Fig. 6(A-C) EPR tests for the 2.9Co-atCN/PMS system in 4-CP degradation, (D) the changes in k after adding scavengers, and (E) proposed degradation pathways. (Experimental parameters: [Cat]0 = 0.2 g·L−1, [PMS]0 = 2.0 g/L, [4-CP]0 = 20 mg·L−1, T = 25 °C, DMPO-OH: ♥, DMPO-SO4• −: ♣, DMPO-O2• −: ♦, TEMP-1O2: •, [TBA = p-BQ = EtOH]0 = 200 mM, [L-his]0 = 5.0 mM).








研究意义


在基于 PMS 的 AOPs 中,总是会产生 SO4- 和 -OH 自由基,并起到净化作用。然而,在 PMS 活化过程中产生非自由基 1O2 更为有利,因为它对环境干扰的耐受性更好,但这仍然是一个巨大的挑战。在本文中,通过分子自组装和在 600 °C 的适当温度下退火,制造出了内部中空的风琴状管状 C3N4(atCN)。550 °C 的低退火温度会导致半空心内部(atCN-sh)的不利特征。过高的退火温度(650 °C)导致 C3N4 分解。原子分散的 Co 位点以 Co-N4 的构型成功地封闭在 atCN 基体中,得到 Co-atCN,然后用作污染物的 PMS 激活剂。这项工作中的最佳 2.9Co-atCN/PMS 系统不仅性能优越,而且对较宽的 pH 值范围、各种无机离子、污染物和水基质都有良好的耐受性。EPR 和淬灭试验表明,2.9Co-atCN/PMS 体系在降解 4-CP 的过程中同时存在 -OH、SO4-、O2- 和非自由基 1O2。此外,除了常见的 SO4- 外,还发现有利的非自由基 1O2 也是主要的 ROS,这导致了 2.9Co-atCN/PMS 系统的吸引力和适应性。这项工作为基于 PMS 的 AOPs 的实际应用提供了深入的思考。
文献信息

Yu Yin, Rongrong Fang, Bing Hu, Qinxin Wang, Mengxuan Liu, Abdul Hannan Asif, Shaobin Wang, Hongqi Sun, Sheng Cui, Confining cobalt sites within the matrix of accordion-like tubular carbon nitride for peroxymonosulfate activation to produce sulfate radicals and desirable singlet oxygen, Applied Surface Science, 2025, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161535



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