Roles of Catalyst Structure and Gas Surface Reaction in the Generation of Hydroxyl Radicals for Photocatalytic Oxidation

光催化 催化作用 激进的 氧化还原 光化学 化学 化学反应工程 电子转移 表面工程 羟基自由基 反应机理 纳米技术 化学工程 材料科学 无机化学 有机化学 工程类
作者
Yuxian Wang,Xiao Li,Shenning Liu,Ya Liu,Tao Kong,Huayang Zhang,Xiaoguang Duan,Chunmao Chen,Shaobin Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (5): 2770-2780 被引量:113
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05447
摘要

Photocatalysis is one of the promising purification technologies for organic degradation due to a potent driving force of hydroxyl radicals (HO•). Unfortunately, HO• evolution from dissolved oxygen in traditional photocatalysis is a three-electron-reduction process via H2O2 and suffers from the low utilization efficiency of photoexcited electrons. A change of surface processes in direct HO• formation will induce rapid surface redox reactions and improve the utilization of conduction band electrons (CB-e–) for HO• production. In this work, we couple photocatalyst engineering using defect-engineered S-scheme WO3/g-C3N4 nanocomposites with ozonation to analyze the relative contributions of catalyst structure and surface reaction to the improved HO• generation and quantum efficiency. We revealed that the strategies of catalyst engineering via defect structure and S-scheme heterojunction improved CB-e– generation and enrichment but played a minor role in HO• evolution while a change of oxygen to ozone exerted a dominant effect on the surface reaction of HO• evolution pathway into a more efficient single-electron-transfer process. The synergy of catalyst engineering with ozone resulted in a 44-fold increase in rate constant compared with benchmark g-C3N4-based photocatalysis and catalytic ozonation. This work advances the mechanistic principles for a kinetic boost in photocatalysis in terms of catalyst design and surface reaction for micropollutant elimination and provides insights into photocatalyst modification and reaction routes in advanced oxidation processes.
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