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Synergy between Surface Epoxy Groups and Co–C Sites in Nitrogen-Free Single-Atom Catalysts for Electro-Fenton Water Purification

催化作用 化学 过氧化氢 氮气 化学工程 选择性 污染物 无机化学 有机化学 工程类
作者
Jingyuan Luo,Yuanzheng Zhang,Yuxin Zeng,Haopeng Feng,Huihui Li,Lifeng Yin,Junfeng Niu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (41): 22318-22329
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c10994
摘要

Emerging contaminants, notably antibiotics, pose significant risks to aquatic ecosystems and human health due to their persistence and potential to induce antibiotic resistance. An electro-Fenton (EF) process, utilizing in situ generated hydrogen peroxide (H2O2), offers effective pollutant degradation. While current electrocatalysts often suffer from low H2O2 selectivity, single-atom catalysts (SACs) have demonstrated superior activity and selectivity. However, their application is limited by poor acidic stability, particularly with nitrogen-coordinated site deactivation under strong oxidation conditions. Herein, a nitrogen-free cobalt single-atom catalyst (BP-Co) was synthesized on defect-rich carbon via ball milling-pyrolysis. BP-Co demonstrates 80% Faradaic efficiency and 10.5 mg cm-2 h-1 H2O2 yield in acidic media. Both experimental and computational results demonstrate that the presence of surface epoxy groups improves interfacial wettability and electronically tailors the Co-C active sites, thus facilitating *OOH desorption and promoting H2O2 generation. In EF applications, BP-Co achieves 100% removal of thiamphenicol (TAP), 77.9% TOC mineralization, continuous Fe2+ regeneration, and low energy consumption (0.093 kWh (g TOC)-1). Moreover, the toxicity of degradation byproducts was significantly reduced. The system performs well across various water matrices and effectively degrades multiple organic pollutants. This study presents a cost-effective, stable strategy for nitrogen-free SACs, advancing water treatment technologies.
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