A single-atom Fe-N-C catalyst with superior Fenton-like reaction performance prepared facilely using microalgae: Key roles of oxygen and interactions between Fe-Nx and Fe/Fe compounds

催化作用 过氧化氢 化学 氧原子 氧气 密度泛函理论 电子转移 热解 化学工程 光化学 核化学 分子 计算化学 有机化学 工程类
作者
Cheng Hou,Jiang Zhao,Libin Yang,Jiabin Chen,Xuefen Xia,Xuefei Zhou,Yalei Zhang
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:339: 123135-123135 被引量:35
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2023.123135
摘要

A single-atom Fe-N-C catalysts (Fe-N-C) was successfully prepared through a facile synthesis route using microalgae to drive hydrogen peroxide (H2O2)-based Fenton-like reactions. The detailed characterization analyses confirmed the simultaneous presence of Fe/Fe compounds and Fe-Nx coordination sites in the optimal catalyst (Fe-N @ MBC) obtained through the pyrolysis of FeCl3·6 H2O and Chlorella vulgaris. Surprisingly, when applied in H2O2-based advanced oxidation processes (AOPs), Fe-N @ MBC demonstrated excellent proficiency for both H2O2 and O2 activation, with the contribution of the original dissolved oxygen for sulfamethoxazole removal reaching up to 47.59%. The experiment and density functional theory (DFT) calculation results indicated that the Fe/Fe compounds significantly boosted the activity of Fe-Nx by lowering the energy barrier of the reactive oxygen species formation and promoting the electron transfer between Fe-Nx and the oxidants (H2O2 and O2). These findings provide new insights into the facile synthesis, rational design, and catalytic mechanisms of Fe-N-C used in H2O2-based AOPs.
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