Tailoring d-band center of high-valent metal-oxo species for pollutant removal via complete polymerization

聚合 污染物 光化学 金属 材料科学 催化作用 猝灭(荧光) 化学 化学工程 聚合物 有机化学 工程类 物理 量子力学 荧光
作者
Hongzhi Liu,Xiao-Xuan Shu,Mingjie Huang,Bingbing Wu,Jie‐Jie Chen,Xi‐Sheng Wang,LI Hui-lin,Han‐Qing Yu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:91
标识
DOI:10.1038/s41467-024-46739-1
摘要

Abstract Polymerization-driven removal of pollutants in advanced oxidation processes (AOPs) offers a sustainable way for the simultaneous achievement of contamination abatement and resource recovery, supporting a low-carbon water purification approach. However, regulating such a process remains a great challenge due to the insufficient microscopic understanding of electronic structure-dependent reaction mechanisms. Herein, this work probes the origin of catalytic pollutant polymerization using a series of transition metal (Cu, Ni, Co, and Fe) single-atom catalysts and identifies the d -band center of active site as the key driver for polymerization transfer of pollutants. The high-valent metal-oxo species, produced via peroxymonosulfate activation, are found to trigger the pollutant removal via polymerization transfer. Phenoxyl radicals, identified by the innovative spin-trapping and quenching approaches, act as the key intermediate in the polymerization reactions. More importantly, the oxidation capacity of high-valent metal-oxo species can be facilely tuned by regulating their binding strength for peroxymonosulfate through d -band center modulation. A 100% polymerization transfer ratio is achieved by lowering the d -band center. This work presents a paradigm to dynamically modulate the electronic structure of high-valent metal-oxo species and optimize pollutant removal from wastewater via polymerization.
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