Sustainable Fe and Cu Sites Double Redox Cycle Boosting Fenton-like Degradation of Organic Pollutants

污染物 氧化还原 降级(电信) Boosting(机器学习) 环境化学 化学 环境科学 无机化学 有机化学 计算机科学 电信 机器学习
作者
Yi Hu,Yao Zhou,Rongjian Ding,Xinchun Ye,Chu Chu,Lingling Liu,Lei Tian,Xunheng Jiang,Longshuai Zhang,Jian‐Ping Zou,Shenglian Luo
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (31): 16812-16821 被引量:39
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c07284
摘要

Single-atom catalysts (SACs) show excellent activity and selectivity in Fenton-like reactions due to the atomically dispersed and homogeneous active sites. However, the sluggish redox kinetics of single-atom sites cause poor stability and durability. Herein, a graphitic carbon nitride-supported Fe and Cu dual-site catalyst with N4–Fe–Cu-N3 configuration (FeCu-CN) was designed and prepared, which promotes H2O2 activity through a sustainable dual-metal redox cycle and shows excellent pollutant degradation performance. The optimized FeCu-CN efficiently activates H2O2 to degrade sulfamethoxazole, with 23 and 4 times higher rates than Fe-CN and Cu-CN, respectively. Experimental and density functional theory (DFT) calculations indicate that the Cu site of FeCu-CN optimizes the electronic structure of Fe site and provides electrons to facilitate the Fe(III)/Fe(II) cycle. The reduction of Cu(II) by H2O2 and •O2– could promote the Cu(II)/Cu(I) cycle, maintaining the catalytic activation stability of FeCu-CN. Moreover, the synergistic effect of Fe and Cu sites in FeCu-CN promotes the adsorption of H2O2 and reduces the dissociation energy barrier of H2O2. The FeCu/H2O2 system exhibits strong resilience to changes in pH (from 3.18 to 9.35) and the coexisting substances. In continuous flow experiments, it also shows a long-term degradation effect on water pollutants. The FeCu-CN/H2O2 system has excellent anti-interference ability and application potential. This study develops a strategy for a persistent dual-metal synergistic redox cycle, providing new mechanistic insights for designing Fenton-like catalysts in efficient and environmentally friendly wastewater treatment.
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