Unraveling the High-Activity Origin of Single-Atom Iron Catalysts for Organic Pollutant Oxidation via Peroxymonosulfate Activation

催化作用 化学 环境化学 Atom(片上系统) 污染物 光化学 无机化学 化学工程 有机化学 计算机科学 嵌入式系统 工程类
作者
Yaowen Gao,Yue Zhu,Tong Li,Zhenhuan Chen,Qike Jiang,Zhiyu Zhao,Xiaoying Liang,Chun Hu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (12): 8318-8328 被引量:371
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c01131
摘要

Single-atom catalysts (SACs) have emerged as efficient materials in the elimination of aqueous organic contaminants; however, the origin of high activity of SACs still remains elusive. Herein, we identify an 8.1-fold catalytic specific activity (reaction rate constant normalized to catalyst's specific surface area and dosage) enhancement that can be fulfilled with a single-atom iron catalyst (SA-Fe-NC) prepared via a cascade anchoring method compared to the iron nanoparticle-loaded catalyst, resulting in one of the most active currently known catalysts in peroxymonosulfate (PMS) conversion for organic pollutant oxidation. Experimental data and theoretical results unraveled that the high-activity origin of the SA-Fe-NC stems from the Fe-pyridinic N4 moiety, which dramatically increases active sites by not only creating the electron-rich Fe single atom as the catalytic site but also producing electron-poor carbon atoms neighboring pyridinic N as binding sites for PMS activation including synchronous PMS reduction and oxidation together with dissolved oxygen reduction. Moreover, the SA-Fe-NC exhibits excellent stability and applicability to realistic industrial wastewater remediation. This work offers a novel yet reasonable interpretation for why a small amount of iron in the SA-Fe-NC can deliver extremely superior specific activity in PMS activation and develops a promising catalytic oxidation system toward actual environmental cleanup.
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