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Engineered Nanoconfinement Accelerating Spontaneous Manganese-Catalyzed Degradation of Organic Contaminants

催化作用 污染 降级(电信) 化学 环境科学 环境化学 废物管理 有机化学 生态学 生物 计算机科学 电信 工程类
作者
Shuo Zhang,Tayler Hedtke,Li Wang,Xiaoxiong Wang,Tianchi Cao,Menachem Elimelech,Jae‐Hong Kim
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (24): 16708-16715 被引量:88
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c06551
摘要

Manganese(III/IV) oxide minerals are known to spontaneously degrade organic pollutants in nature. However, the kinetics are too slow to be useful for engineered water treatment processes. Herein, we demonstrate that nanoscale Mn3O4 particles under nanoscale spatial confinement (down to 3-5 nm) can significantly accelerate the kinetics of pollutant degradation, nearly 3 orders of magnitude faster compared to the same reaction in the unconfined bulk phase. We first employed an anodized aluminum oxide scaffold with uniform channel dimensions for experimental and computational studies. We found that the observed kinetic enhancement resulted from the increased surface area of catalysts exposed to the reaction, as well as the increased local proton concentration at the Mn3O4 surface and subsequent acceleration of acid-catalyzed reactions even at neutral pH in bulk. We further demonstrate that a reactive Mn3O4-functionalized ceramic ultrafiltration membrane, a more suitable scaffold for realistic water treatment, achieved nearly complete removal of various phenolic and aniline pollutants, operated under a common ultrafiltration water flux. Our findings mark an important advance toward the development of catalytic membranes that can degrade pollutants in addition to their intrinsic function as a physical separation barrier, especially since they are based on accelerating natural catalytic pathways that do not require any chemical addition.
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