Proton vs Electron: The Dual Role of Redox-Inactive Metal Ions in Permanganate Oxidation Kinetics

高锰酸盐 氧化还原 动力学 质子 化学 离子 金属 水溶液中的金属离子 电子 无机化学 光化学 物理 有机化学 量子力学
作者
Meng-Fan Luo,Heng Zhang,Jianhua Guo,Jia Zhao,Can Feng,Jialong Yin,Chang Xu,Ye Du,Yang Liu,Chuan-Shu He,Bo Lai
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (40): 18041-18051 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c06557
摘要

Redox-inactive metal-ion-driven modulation of the oxidation behavior of high-valent metal-oxo complex has garnered significant interest in biological and chemical synthesis; however, their role in permanganate (Mn(VII)) oxidation for the removal of organic pollutants has been largely neglected. Here, we uncover the impact of six metal ions (i.e., Ca2+, Mg2+, Ni2+, Zn2+, Al3+, and Sc3+) presenting in water environments on Mn(VII) activity. These ions uniformly boost the electron and oxygen transfer capabilities of Mn(VII) while impeding proton transfer, as evidenced by electrochemical tests, thioanisole probe analysis, and the kinetic isotope effect. The observed effects are intricately linked to the Lewis acidity of the metal ions. Further mechanistic insights reveal that Mn(VII) can interact with metal ions without direct reduction. Such interactions modify the electronic configuration of Mn(VII) and create an acidic microenvironment, thus increasing its electrophilicity and the energy barrier for the abstraction of proton from organic substrates. More importantly, the efficacy of Mn(VII) in removing phenolic pollutants is regulated by these ions through changing the driving force for proton and electron transfer, i.e., facilitated at pH > 4.5 and inhibited at lower pH. The contribution of active Mn intermediates is also discussed to reveal the oxidative mechanism of the metal ion/Mn(VII) system. These findings not only facilitate the rational design of Mn(VII) oxidation conditions in the presence of metal ions for water decontamination but also offer an alternative paradigm for enhancing electrophilic oxidation.
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