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Long-range interactions driving neighboring Fe–N4 sites in Fenton-like reactions for sustainable water decontamination

人体净化 航程(航空) 环境科学 化学 环境化学 材料科学 废物管理 工程类 复合材料
作者
Zelin Wu,Zhaokun Xiong,Bingkun Huang,Gang Yao,Sihui Zhan,Bo Lai
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 7775-7775 被引量:178
标识
DOI:10.1038/s41467-024-52074-2
摘要

Actualizing efficient and sustainable environmental catalysis is essential in global water pollution control. The single-atom Fenton-like process, as a promising technique, suffers from reducing potential environmental impacts of single-atom catalysts (SACs) synthesis and modulating functionalized species beyond the first coordination shell. Herein, we devised a high-performance SAC possessing impressive Fenton-like reactivity and extended stability by constructing abundant intrinsic topological defects within carbon planes anchored with Fe−N4 sites. Coupling atomic Fe−N4 moieties and adjacent intrinsic defects provides potent synergistic interaction. Density functional theory calculations reveal that the intrinsic defects optimize the d-band electronic structure of neighboring Fe centers through long-range interactions, consequently boosting the intrinsic activity of Fe−N4 sites. Life cycle assessment and long-term steady operation at the device level indicate promising industrial-scale treatment capability for actual wastewater. This work emphasizes the feasibility of synergistic defect engineering for refining single-atom Fenton-like chemistry and inspires rational materials design toward sustainable environmental remediation. Non-metallic functionalized species in single-atom catalysts potentially contribute to catalytic performance. Herein, the authors report a long range interaction induced by intrinsic carbon defects to enhance the Fenton-like reactivity and stability of adjacent single-atom sites.
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