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Identifying the Persistent Free Radicals (PFRs) Formed as Crucial Metastable Intermediates during Peroxymonosulfate (PMS) Activation by N-Doped Carbonaceous Materials

激进的 化学 兴奋剂 光化学 亚稳态 反应中间体 催化作用 有机化学 材料科学 光电子学
作者
Yufei Zhen,Shishu Zhu,Zhiqiang Sun,Yu Tian,Zeng Li,Chen Yang,Jun Ma
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (13): 9293-9304 被引量:146
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c01974
摘要

A nonradical mechanism involved in peroxymonosulfate (PMS) activation in carbonaceous materials (CMs) is still controversial. In this study, we prepared N-doped CMs, including hollow carbon spheres (NHCSs) and carbon nanotubes (N-CNTs), to probe the crucial intermediates during PMS activation. The results suggested that the higher efficiency and lower activation energy (13.72 kJ mol-1) toward phenol (PN) degradation in an NHCS/PMS system than PMS alone (∼24.07 kJ mol-1) depended on a typical nonradical reaction. Persistent free radicals (PFRs) with a g factor of 2.0033-2.0045, formed as crucial metastable intermediates on NHCS or N-CNT in the presence of PMS, contribute largely to the organic degradation (∼73.4%). Solid evidence suggested that the formation of PFRs relied on the attack of surface-bonded •OH and SO4•- or peroxides in PMS, among which surface-bonded SO4•- was most thermodynamically favorable based on theoretical calculations. Electron holes within PFRs on NHCSs shifted the Fermi level to the positive energy with the valance band increasing from 1.18 to 1.98 eV, promoting the reactivity toward nucleophilic substances. The degradation intermediates of aromatic compounds (e.g., PN) and electron rearrangement triggered the evolution of PFRs from oxygen-centered to carbon-centered radicals. Moreover, due to the specific electron configuration, graphitic N on NHCS was critical for stabilizing the PFRs. This study provides insightful understanding of the fate of organic contaminants and the structure-activity relationship of reactivity of CMs toward PMS activation.
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