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In-situ formation of surface reactive oxygen species on defective sites over N-doped biochar in catalytic ozonation

催化作用 化学 原位 生物炭 氧气 光化学 活性氧 兴奋剂 环境化学 化学工程 材料科学 热解 有机化学 光电子学 生物化学 工程类
作者
Yizhen Cheng,Binyuan Wang,Pengwei Yan,Jimin Shen,Jing X. Kang,Shengxin Zhao,Xinwei Zhu,Linlu Shen,Shuyu Wang,Yang Shen,Zhonglin Chen
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:454: 140232-140232 被引量:106
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.140232
摘要

• Synergistic effect of adsorption (24.5%) and catalytic ozonation (74.4%) by NBC700 promoted ATZ removal. • O 3 was in-situ decomposed into *O 2 and *O. • • OH was the dominant ROS and surface-O 3 further strengthened ozonation. • Defects were the major active sites verified by DFT calculation. Adsorption is the first step of the interface mechanism, but the adsorption behaviors of ozone (O 3 ) and pollutants on the catalyst during catalytic ozonation have always been overlooked in previous works. In this study, a promising strategy for the in-situ decomposition of O 3 to trigger surface reactive oxygen species (ROS) by nitrogen (N)-doped biochar was proposed, which greatly improved the efficiency of O 3 utilization. Specifically, N-doped biochar (NBC700) with a high defect level ( I D /I G = 1.165) was achieved by a one-pot method. It showed good adsorption on O 3 and atrazine (ATZ), which promoted the in-situ formation of surface ROS, as well as resists the interferences of multiple coexisting anions (NO 3 - , Cl - , PO 4 3- , SO 4 2- and HCO 3 - ) on ATZ removal. In-situ Raman spectra revealed the interface catalytic mechanism of O 3 decomposition into adsorbed peroxide species (*O 2 ) and adsorbed atomic oxygen (*O). Additionally, • OH was the dominant ROS and surface-O 3 further strengthened direct ozonation via intramolecular electron transfer. In this process, sp 2 -hybridized system with delocalized π electrons, electron-rich oxygen-containing functional groups, and conjugated heteroatoms were identified as the active sites, but defective sites with free electrons played the most important part according to the lowest adsorption energy (-13.12 eV) calculated by density functional theory (DFT). The degradation of ATZ included dechlorination and non-dechlorination pathways, which made the acute and chronic toxicity of most intermediate products both decrease to not be harmful to fish and green algae. This work provides a new perspective on the interface mechanism in catalytic ozonation for ATZ removal.
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