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Utilizing the oxygen-atom trapping effect of Co 3 O 4 with oxygen vacancies to promote chlorite activation for water decontamination

氧气 绿泥石 化学 催化作用 激进的 单线态氧 光化学 材料科学 无机化学 有机化学 复合材料 石英
作者
Ruidian Su,Yixuan Gao,Long Chen,Yi Chen,N. Li,Wen Liu,Baoyu Gao,Qian Li
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (11) 被引量:70
标识
DOI:10.1073/pnas.2319427121
摘要

Heterogeneous high-valent cobalt-oxo [≡Co(IV)=O] is a widely focused reactive species in oxidant activation; however, the relationship between the catalyst interfacial defects and ≡Co(IV)=O formation remains poorly understood. Herein, photoexcited oxygen vacancies (OVs) were introduced into Co 3 O 4 (OV-Co 3 O 4 ) by a UV-induced modification method to facilitate chlorite (ClO 2 – ) activation. Density functional theory calculations indicate that OVs result in low-coordinated Co atom, which can directionally anchor chlorite under the oxygen-atom trapping effect. Chlorite first undergoes homolytic O–Cl cleavage and transfers the dissociated O atom to the low-coordinated Co atom to form reactive ≡Co(IV)=O with a higher spin state. The reactive ≡Co(IV)=O rapidly extracts one electron from ClO 2 – to form chlorine dioxide (ClO 2 ), accompanied by the Co atom returning a lower spin state. As a result of the oxygen-atom trapping effect, the OV-Co 3 O 4 /chlorite system achieved a 3.5 times higher efficiency of sulfamethoxazole degradation (~0.1331 min −1 ) than the pristine Co 3 O 4 /chlorite system. Besides, the refiled OVs can be easily restored by re-exposure to UV light, indicating the sustainability of the oxygen atom trap. The OV-Co 3 O 4 was further fabricated on a polyacrylonitrile membrane for back-end water purification, achieving continuous flow degradation of pollutants with low cobalt leakage. This work presents an enhancement strategy for constructing OV as an oxygen-atom trapping site in heterogeneous advanced oxidation processes and provides insight into modulating the formation of ≡Co(IV)=O via defect engineering.
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