A layered g-C3N4 support Single-Atom Fe-N4 catalyst derived from hemin to Activate PMS for Selective degradation of electron-rich compounds via singlet oxygen species

催化作用 血红素 碳化 化学 光化学 电子转移 光催化 石墨氮化碳 卟啉 吸附 材料科学 物理化学 有机化学 血红素
作者
Hui Liu,Yingxue Fu,Shixing Chen,Wenchao Zhang,Kaisong Xiang,Fenghua Shen,Ruiyang Xiao,Liyuan Chai,Feiping Zhao
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:474: 145571-145571 被引量:40
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.145571
摘要

Single-atom catalysts (SACs) have been widely applied in electrocatalysis, photocatalysis and advanced oxidation processes. However, the synthesis of Fe SACs supported by layered g-C3N4 remains challenging due to the high temperatures required for Fe single-atom (Fe-SA) sites formation, which can lead to the decomposition and curling of g-C3N4. Herein, Fe SACs loaded on layered g-C3N4 (Fe-SA@CN) were synthesized via an one-step pyrolysis using the pre-coordination metal precursor (hemin). The pre-coordinated structure in hemin prevented Fe atoms aggregation, while the planar structure of hemin suppressed the curling of g-C3N4 at high temperature. The structures of the resulting material, including the atomically dispersed Fe-SA sites and its coordination environment (Fe-N4), were characterized by AC-STEM and XAFS. The doping of Fe-SA sites facilitates the fracture of C-N bonds in pyridinic N and boosts the recombination of C-C bonds, thereby lowering the initial temperature of thermal decomposition of g-C3N4 and improving the quality of the carbonization residue. Experimental tests and DFT calculations demonstrate that Fe-SA sites effectively decrease the adsorption energy of PMS, facilitating electron transfer processes. The Fe-SA@CN, with a Fe loading of 2.03 wt%, performs best in activating PMS for the degradation of aromatic compounds bearing electron-donating groups, which are mainly attacked by 1O2 generated on Fe-SA sites (above 90% 1O2 selectivity). This study highlights the role of precursor in the synthesis of single-atom catalysts, and provides insight for developing SACs for advanced oxidation processes.
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