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Oxygen vacancies-enriched Fe-Cu bimetallic minerals-based magnetic biochar activated peroxydisulfate for durable sulfonamides degradation: pH-dependence adsorption and singlet oxygen evolution mechanism

过氧二硫酸盐 化学 单线态氧 双金属片 催化作用 电子转移 吸附 氧气 生物炭 密度泛函理论 光化学 无机化学 物理化学 计算化学 热解 生物化学 有机化学
作者
Yujiao Wang,Li Wang,Yuqing Cao,Fang Ma
出处
期刊:Separation and Purification Technology [Elsevier BV]
卷期号:317: 123866-123866 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.seppur.2023.123866
摘要

The construction of oxygen vacancies (Vo) is a promising strategy for designing an efficient catalyst toward peroxydisulfate (PDS) activation. However, the unstable interface electron transfer and deactivation of Vo have been the bottleneck, and Vo-mediated PDS activation mechanisms remain vaguely interpreted. Herein, we innovatively synthesized a low-cost and durable Fe-Cu bimetallic mineral-based magnetic biochar with abundant Vo (Fe-CuFe2O4@BC). Fe-CuFe2O4@BC exhibited 6.64, 22.91, and 79.22-fold PDS activation rates for sulfamethazine (SMT) degradation (100%) and mineralization (91.58%) compared with Fe@BC, Cu@BC, and pristine BC, respectively. The outstanding performance of the Fe-CuFe2O4@BC/PDS system was ascribed to the Vo-induced sustainable electron transfer and singlet oxygen (1O2) generation, determined by chemical probes and kinetics study. pH-dependence adsorption of SMT dominated by the strengthened H-bonding and π–π EDA interaction was the key rate-limited step to PDS activation. Based on the surface investigation, electronic measurement, and Density functional theory (DFT) calculations, we proposed new insights into the electron-rich Vo and electron-deficient Cu co-induced PDS activation mechanism. Different from conventional perspectives, Vo preferentially activated PDS to generate 1O2, subsequently delocalizing and accumulating residual electrons from the Cu site. Simultaneously, metastable copper intermediates activated PDS through thermodynamically feasible reactions, promoting nano-confinement Vo-triggered 1O2 pathway. This study provides a new perspective for synthesizing Vo-rich catalysts and essentially deepens insights into nonradical mechanisms of refractory organics.
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