Accelerated Catalytic Ozonation in a Mesoporous Carbon-Supported Atomic Fe–N4 Sites Nanoreactor: Confinement Effect and Resistance to Poisoning

纳米反应器 催化作用 化学 介孔材料 碳纤维 化学工程 环境化学 材料科学 有机化学 复合数 工程类 复合材料
作者
Wei Qu,Manhui Luo,Zhuoyun Tang,Tao P. Zhong,Huinan Zhao,Lingling Hu,Dehua Xia,Shuanghong Tian,Dong Shu,Chun He
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (35): 13205-13216 被引量:49
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c08101
摘要

The design of a micro-/nanoreactor is of great significance for catalytic ozonation, which can achieve effective mass transfer and expose powerful reaction species. Herein, the mesoporous carbon with atomic Fe-N4 sites embedded in the ordered carbon nanochannels (Fe-N4/CMK-3) was synthesized by the hard-template method. Fe-N4/CMK-3 can be employed as nanoreactors with preferred electronic and geometric catalytic microenvironments for the internal catalytic ozonation of CH3SH. During the CH3SH oxidation process, the mass transfer coefficient of the Fe-N4/CMK-3 confined system with sufficient O3 transfer featured a level of at least 1.87 × 10-5, which is 34.6 times that of the Fe-N4/C-Si unconfined system. Detailed experimental studies and theoretical calculations demonstrated that the anchored atomic Fe-N4 sites and nanoconfinement effects regulated the local electronic structure of the catalyst and promoted the activation of O3 molecules to produce atomic oxygen species (AOS) and reactive oxygen species (ROS), eventually achieving efficient oxidation of CH3SH into CO2/SO42-. Benefiting from the high diffusion rate and the augmentation of AOS/ROS, Fe-N4/CMK-3 exhibited an excellent poisoning tolerance, along with high catalytic durability. This contribution provides the proof-of-concept strategy for accelerating catalytic ozonation of sulfur-containing volatile organic compounds (VOCs) by combining confined catalysis and atomic catalysts and can be extended to the purification of other gaseous pollutants.
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