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pH-Independent Production of Hydroxyl Radical from Atomic H*-Mediated Electrocatalytic H2O2 Reduction: A Green Fenton Process without Byproducts

化学 羟基自由基 过氧化氢 电化学 催化作用 激进的 加合物 过渡金属 电子转移 光化学 有机化学 电极 物理化学
作者
Huabin Zeng,Gong Zhang,Qinghua Ji,Huijuan Liu,Xin Hua,Hai‐Lun Xia,Mika Sillanpää,Jiuhui Qu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:54 (22): 14725-14731 被引量:203
标识
DOI:10.1021/acs.est.0c04694
摘要

Hydroxyl radical (OH) can hydroxylate or dehydrogenate organics without forming extra products and is thereby expediently applied in extensive domains. Although it can be efficiently produced through single-electron transfer from transition-metal-containing activators to hydrogen peroxide (H2O2), narrow applicable pH range, strict activator/H2O2 ratio requirement, and byproducts that are formed in the mixture with the background matrix necessitate the need for additional energy-intensive up/downstream treatments. Here, we show a green Fenton process in an electrochemical cell, where the electro-generated atomic H* on a Pd/graphite cathode enables the efficient conversion of H2O2 into OH and subsequent degradation of organic pollutants (80% efficiency). Operando liquid time-of-fight secondary ion mass spectrometry verified that H2O2 activation takes place through a transition state of the Pd-H*-H2O2 adduct with a low reaction energy barrier of 0.92 eV, whereby the lone electron in atomic H* can readily cleave the peroxide bridge, with OH and H2O as products (ΔGr = -1.344 eV). Using H+ or H2O as the resource, we demonstrate that the well-directed output of H* determines the pH-independent production of OH for stable conversion of organic contaminants in wider pH ranges (3-12). The research pioneers a novel path for eliminating the restrictions that are historically challenging in the traditional Fenton process.
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