Surface Hydroxyls as Proton Transit Stations Enable Hydroxyl‐Density‐Mediated Switching via Proton‐Coupled Electron Transfer for High‐Valent Cobalt‐Oxo Species Evolution

催化作用 脱质子化 质子耦合电子转移 质子 材料科学 电子转移 光化学 降级(电信) 纳米颗粒 化学物理 激进的 羟基自由基 氧气 表面改性 化学工程 密度泛函理论 电子传输链 电子 曲面(拓扑) 原子单位 活性氧 纳米技术 质子输运 多相催化 分子 反应机理 污染物 原位 键裂 反应中间体
作者
Lin Zhang,Xinyue Chen,Lei Xing,Xiangke Wang,Qiangwei Li,Lidong Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.78508
摘要

ABSTRACT The selective generation of high‐valent cobalt‐oxo species (Co(IV) = O) in peroxymonosulfate (PMS)‐based advanced oxidation processes (AOPs) is a long‐sought goal for targeted degradation of electron‐rich pollutants such as monoethanolamine (MEA). However, it is kinetically crippled by the high energy barrier of O─H bond deprotonation in PMS. Here, it is demonstrated that surface hydroxyl groups on Co‐based catalysts act as proton acceptors to overcome this bottleneck, unlocking a proton‐coupled electron transfer (PCET) pathway. By systematically varying the cobalt loading to control the aggregation state, three catalysts are constructed, namely single atoms (CoSA), atomic clusters (CoAC), and nanoparticles (CoNP), which exhibit a progressively decreasing surface hydroxyl density. A combination of structural, in situ spectroscopic, and 18 O isotope labeling analyses reveals that the high hydroxyl density on CoSA switches the pathway of Co(IV) = O formation from the conventional two‐electron oxygen transfer pathway to a highly efficient single‐electron process. As a result, CoSA completely removes MEA and other electron‐rich pollutants within 20 min with exceptional selectivity, while the hydroxyl‐deficient CoNP falls back to a non‐selective radical pathway. The causal link from cobalt aggregation state to surface hydroxyl density and catalytic pathway offers a programmable design strategy for AOP catalysts, enabling precise control over reaction selectivity.
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