Single-Atom Cobalt Catalysts Encapsulating Cobalt Nanoparticles with Built-In Electric Field for Ultrafast and Lasting Peroxymonosulfate Activation

钴 催化作用 纳米颗粒 电子转移 吸附 化学 金属 材料科学 化学工程 光化学 纳米技术 无机化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Haiyan Zou,Haitao Wang,Hongqi Sun,Wenshuang Sun,Shuangjiang Luo,Tielong Li,Xiaoguang Duan,Sihui Zhan
出处
期刊:ACS ES&T water [American Chemical Society]
卷期号:4 (6): 2433-2444 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsestwater.3c00774
摘要

Cobalt single-atom catalysts (Co-SAs) are rising stars in persulfate chemistry for their well-defined coordination, reduced metal usage, and exceptional activity. However, the simultaneous formation of cobalt nanoparticles (Co-NPs) with Co-SAs raises questions about their complex interplay and synergy in catalysis. In this study, we synthesized Co-SAs-encapsulated Co-NPs (CoNP@NC/Co-SA) using the laser-induced carbonization strategy of high entropy synthesis technology. The results show that 93.23% of phenol can be removed in 15 min and 91.60% in 3 min in the CoNP@NC/Co-SA/PMS system. Simulation results showed that Co-NPs fine-tune the electronic structure of Co-SA sites, optimizing PMS adsorption and activation to generate confined reactive species. The surface-activated PMS-catalyst complex directly attacked adsorbed pollutants on the catalyst surface via an electron-transfer regime. CoNP@NC/Co-SA catalyzes PMS oxidation through a nonradical pathway with high selectivity toward target organics. The findings emphasize the synergistic effect of Co-SAs and Co-NPs in promoting Fenton-like catalysis, enlightening the rational design of advanced composite materials via synergistic molecular and interfacial engineering for fast and long-lasting catalytic oxidation. At the same time, this work provides insights into the electronic structure regulation of metal centers at the atomic level.
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