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Nitrogen-Doped Carbon Anchoring Zero-Valent Cobalt Driving a Multi-path Catalytic Ozonation Mechanism Mediated by Surface Atomic Oxygen

作者
Cibin Wang,Liuxiang Wang,Fuming Miao,Yongyu Zhu,Shuyu Guo,Xingyue Wei,Ruixin Wang,Youzhi Liu,Weizhou Jiao
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.6c05588
摘要

Abstract The practical application of heterogeneous catalytic ozonation is hindered by active site deactivation, metal leaching, and unclear interfacial mechanisms. Herein, we propose a sustainable catalyst (Co/ACON700) with highly dispersed zero-valent cobalt (ZVCo) anchored on a nitrogen-doped carbon support. By regulating the pyrolysis temperature, an electron-rich microenvironment is created, which stabilizes ZVCo via metal–support interactions (cobalt leaching < 0.78%) and accelerates interfacial electron transfer. When applied to the catalytic ozonation of phenol, Co/ACON700 achieves a turnover frequency (TOF) of 0.65 min–1 and a total organic carbon (TOC) removal of 94.1% and improves the ozone utilization efficiency by 34.91%. Mechanistic investigations unveil a ZVCo-mediated multi-path ozone activation mechanism, where ZVCo acts as an electron donor to directly reduce ozone, undergoing in situ oxidation to generate Co2+, accompanied by the formation of surface atomic oxygen (*O). This process triggers a multi-path oxidation regime in which interfacial hydroxyl radicals (·OHint) and singlet oxygen (1O2) play important roles. The catalyst shows good cycling stability, anti-interference in complex water matrices, and effective performance in actual coking wastewater treatment. Life cycle assessment (LCA) indicates its lower environmental impact, highlighting practical engineering potential. This work provides a green strategy for designing high-performance, low-leaching, durable ozone catalysts.

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