单原子活化过一硫酸盐性能更好?与金属氧化物耦合可能更高效

单原子催化剂(SAC)作为新一代过一硫酸盐(PMS)非均相活化剂,具有原子利用率高、结构稳定性强等优点,为新兴有机污染物(EOPs)的高效降解提供了新的解决方案.然而,SAC的活性位点密度依然受限于严苛的制备工艺等,而这严重影响PMS的进一步激活.因此,发展SAC基PMS高级氧化技术的关键之一在于提升SAC的活性位点密度,进而增强PMS活化效率.相比之下,传统的过渡金属氧化物(MOx)作为PMS活化剂,尽管存在金属原子利用率低和金属离子易溶出等问题,但其表面具有丰富的金属活性位点.统筹SAC与MOx的优缺点,本文提出了一种"新-老"结合策略,即将传统MOx与新一代SAC耦合...

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Published in催化学报 Vol. 59; no. 4; pp. 137 - 148
Main Authors 张俊磊, 刘文聪, 刘彪, 段晓光, 敖志敏, 朱明山
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 暨南大学环境学院,广东省环境污染与健康重点实验室,广东广州 511443,中国 2024
西北工业大学材料科学与工程学院,凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072,中国%暨南大学环境学院,广东省环境污染与健康重点实验室,广东广州 511443,中国%北京师范大学环境与生态前沿交叉研究院,广东珠海 519087,中国%阿德莱德大学化工学院,阿德莱德,澳大利亚
Subjects
单原子催化剂
Metal oxide
金属氧化物
过一硫酸盐活化
Single-atom catalyst
Peroxymonosulfate activation
Synergy
Co3O4@Co1/C3N5
协同效应
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ISSN0253-9837
DOI10.1016/S1872-2067(24)60009-4

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Summary:单原子催化剂(SAC)作为新一代过一硫酸盐(PMS)非均相活化剂,具有原子利用率高、结构稳定性强等优点,为新兴有机污染物(EOPs)的高效降解提供了新的解决方案.然而,SAC的活性位点密度依然受限于严苛的制备工艺等,而这严重影响PMS的进一步激活.因此,发展SAC基PMS高级氧化技术的关键之一在于提升SAC的活性位点密度,进而增强PMS活化效率.相比之下,传统的过渡金属氧化物(MOx)作为PMS活化剂,尽管存在金属原子利用率低和金属离子易溶出等问题,但其表面具有丰富的金属活性位点.统筹SAC与MOx的优缺点,本文提出了一种"新-老"结合策略,即将传统MOx与新一代SAC耦合,发展兼具丰富金属活性位点和优良结构稳定性的PMS活化剂,实现PMS的高效活化. 本文采用预配位-重结晶-热解路径,结合金属离子源投加量控制,制备了具有金属氧化物与单原子组分的Co3O4@Co1/C3N5复合PMS非均相活化剂,并系统研究了其活化PMS降解EOPs的性能.粉末X射线衍射、X射线光电子能谱、高角环形暗场扫描透射电子显微镜及X射线吸收谱结果表明,Co3O4@Co1/C3N5由金属氧化物Co3O4和单原子Co1/C3N5组成,并且Co3O4纳米晶体被锚定在Co1/C3N5纳米片表面.在降解典型EOPs双氯芬酸钠(DCF)的过程中,Co3O4@Co1/C3N5活化的PMS体系展现了显著增强的性能.相比基于Co3O4和Co1/C3N5活化的PMS体系,DCF的降解速率分别提高了约28.0倍和2.5倍,证明Co3O4@Co1/C3N5具有显著增强的PMS活化能力.这主要因为Co1/C3N5和Co3O4之间形成的Co1-O(Co3O4)和Co-N(Co1/C3N5)化学键有效地促进了电荷迁移.结合密度泛函理论计算发现,Co1/C3N5和Co3O4之间的强电子相互作用显著强化了PMS的吸附,降低了PMS分解生成活性物质的能垒.此外,Co3O4@Co1/C3N5具有良好的复杂环境因素(包括pH、共存阴离子以及实际污水等)耐受性和可重复使用性,证明了其在PMS高级氧化体系中的应用潜力. 综上,将单原子催化剂与金属氧化物进行耦合,不仅可能优化电子结构,增强活性位点的暴露度,还能通过协同效应,促进反应中间体的稳定和转化,从而提升整体的PMS活化性能.本文研究结果为设计高效催化剂体系提供了参考.
ISSN:0253-9837
DOI:10.1016/S1872-2067(24)60009-4