文献速递|中科院大连化物所ACB:对直接生成单线态氧途径的机械见解:FeN4位点和选择性有机污染物去除的关键作用

文摘   科学   2024-10-26 08:14   北京  
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第一作者:Liang Zhang

通讯作者:王军虎 研究员

通讯单位:中国科学院大连化学物理研究所

通讯作者:敖志敏 教授

通讯单位:北京师范大学环境与生态前沿交叉研究院

DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.123130









全文速览

本文研究并揭示了单个铁原子在高级氧化过程中形成单线态氧(1O2)的系统而新颖的途径。通过煅烧普鲁士蓝合成了石墨碳基质支撑的单个铁原子和铁纳米团簇构型催化剂,即使在高盐度条件下,这些催化剂对双酚 A(BPA)氧化也表现出了令人赞叹的催化效率。在与 PMS(HSO5-)末端 O 键合的 Fe 吡啶 N 离子上直接生成的 1O2 被认为是主要的反应物种。实验结果和理论分析进一步详细证明了 1O2 的形成演化路径,即通过吸附 PMS 的两个 O 原子的相互作用,伴随着两个 HSO4- 分子的生成,以最低的能障形成 1O2 。这项研究对通过 Fe-N4 构型直接调节 1O2 的机制提出了新的见解,为理解基于 FeNx/PMS 的类芬顿体系提供了重要的原子尺度,也为高盐度环境的实际修复提供了新的策略。


图文摘要

   








引言

受上述回顾性分析的启发,本研究通过简便的煅烧策略,制备了含 Fe-NC 和其他铁构型(铁氧化物和金属铁)的铁基催化剂。即使在高盐度、高浓度腐植酸和宽 pH 值范围内,合成的催化剂也能在 PMS 活化难降解污染物的过程中发挥出令人赞叹的催化活性。尤其是本研究中的高浓度含盐废水刷新了目前研究的极限,表现出了优异的环境耐受性。根据淬灭实验的 EPR 分析,1O2 被确认为主要的活性物质,它直接产生于与 PMS 的末端 O 原子结合的活性 Fe-吡啶 N 分子上。此外,实验结果和密度泛函理论(DFT)计算详细揭示了 1O2 直接生成过程的有效性和合理性,1O2 是由吸附的 HSO5- 上的两个 O 原子伴随着两个 HSO4- 分子的形成而产生的。这项工作将为了解 Fe-NC/PMS 系统中 1O2 的直接生成机制提供重要的启示和指导。






同位素标记技术

图文导读


Fig. 1. XRD patterns (a) and N2 adsorption-desorption isotherm (b) of Fe-NC catalysts; TEM images (c-d) and HAADF-STEM images (e-f) of MP-3; HAADF image (g) and corresponding EDS images (h-j) of MP-3.Fig. 2. K-edge XANES spectra of MP-1, MP-3, MP-5, Fe foil, FePc (a); Fourier transforms of the k3-weighted K-edge EXAFS spectra of MP-1, MP-3, MP-5, Fe foil, FePc (b); High resolution XPS (a) Fe 2p spectra (b) N 1s spectra of MP-1, MP-3 and MP-5 catalysts; (c) Low - temperature and (d) Room - temperature 57Fe Mössbauer spectra of MP-1, MP-3 and MP-5 catalysts.Fig. 3. Degradation of BPA in different systems (a); the corresponding pseudo-first order kinetics curves (b); (Conditions: [BPA] = 100 µM, [PMS] = 1 mM; [Catalyst] = 300 mg L−1).Fig. 4. Fenton-like activity towards BPA degradation by MP-3 catalyst with different quenching agents (a); BPA degradation of MP-3/PMS/BPA with methanol as solvent (b); EPR spectra for DMPO-OH/DMPO-SO4 of different system (c); BPA degradation of MP-3/PMS/BPA with D2O as solvent (d); Quenching effect of different concentration of L-histidine (e); EPR spectra of TEMP-1O2 in MP-3/PMS and PMS alone systems (f); EPR spectra of TEMP-1O2 in the different systems with D2O and H2O as solvent (g); Decomposition rates of PMS and BPA in MP-3/PMS/BPA system (h); Decomposition rates of PMS in MP-3/PMS/BPA system and MP-3/PMS system (i). (Conditions: [BPA] = 100 µM, [PMS] = 1 mM; [Catalyst] = 300 mg L−1).Fig. 5. Electrostatic potential map of N-doped graphene (a); Relationship between different N species content and kinetic constant of reaction of as-synthesized catalysts (b); Low temperature EPR of MP-3/PMS and MP-3/H2O (c); XPS analysis of used MP-3 (d). (Conditions: [BPA] = 100 µM, [PMS] = 1 mM; [Catalyst] = 0.3 g L−1).Fig. 6. Quenching experiment in MP-3/PMS system with methanol solvent (a) Relationship between organics degradation efficiency and corresponding ionization potentials (IP) (b); The charge density difference around the Fe atom embedded on Fe-graphitic N (c), Fe-pyridinic N (d) and Fe-pyrrolic N (e). The isosurface contour is 0.03 e/Bohr3. The blue and yellow colors denote electron accumulation and depletion, respectively. The electrostatic potentials of PMS and Fe-graphitic N (f), Fe-pyridinic N (g) and Fe-pyrrolic N (h). The isosurface value is 0.15 e/Bohr3. The spin density of PMS and Fe-graphitic N (i), Fe-pyridinic N (j) and Fe-pyrrolic N (k). The iso-surface value is 0.025 e/Bohr3.








研究意义

总之,通过调整 PB 和三聚氰胺的比例,制备出了铁基催化剂。得益于铁纳米团簇物种继承的导电性能和单个铁原子的高活性,MP-3 催化剂在高盐度、高浓度腐植酸和宽 pH 值范围下,仍能在活化 PMS 降解难降解污染物方面发挥出优异的催化活性,解决了传统 PMS 基 AOPs 难以解决的难题。淬火实验和 EPR 测量结果表明,非自由基 1O2 种类占主导地位,而电子穿梭和高价铁-氧物种则起辅助作用。与以往通过前驱体(-O2-、SO5--)转化间接演化 1O2 的途径不同,实验和计算结果共同证实了 FeN4 分子的重要作用。根据对不同 FeN4 构型下 1O2 的三种生成途径的比较,提出了详细的 1O2 直接生成途径,即通过吸附的 PMS(HSO5-)分子中的两个 O 原子相互作用,伴随两个 HSO4-分子生成,且能垒最低。这项研究从原子尺度上揭示了 PMS 通过 FeN4 位点辅助生成 1O2 的催化机理,为未来开发高效率、高选择性和高适应性的 Fenton 类催化剂提供了新的思路。

文献信息

Liang Zhang, Yun Sun, Rile Ge, Wenhui Zhou, Zhimin Ao, Junhu Wang, Mechanical insight into direct singlet oxygen generation pathway: Pivotal role of FeN4 sites and selective organic contaminants removal, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123130



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