Boosting Singlet Oxygen Oxidation of Micropollutants at an Enzyme-like Bifunctional Single-Atom Catalyst Interface

催化作用 双功能 单线态氧 光化学 化学 Boosting(机器学习) 氧气 组合化学 材料科学 有机化学 计算机科学 机器学习
作者
Dezhi Kong,Yafei Fan,Feifei Wang,Fangyu Zhang,Qi Zhao,Zhaoli Sun,Jianfei Yao,Menghui Chu,Wang Guo,Guanyun Zhang,Zhaoyong Guan,Hua Sheng,Yifeng Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (10): 8174-8184 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c01429
摘要

Singlet oxygen (1O2) plays a critical role in oxidation reactions, yet improving its reactivity with substrates remains a significant challenge. This study reports an enzyme-like bifunctional catalyst, Co–N2O2/NC, which can efficiently activate peroxymonosulfate (PMS) with high selectivity and nearly quantitatively generates 1O2 without producing other reactive oxygen species to achieve high reactivity. Notably, it significantly increases the bimolecular reaction rate constant between 1O2 and waterborne micropollutants, as demonstrated by the over 1400-fold enhancement in 4-chlorophenol (4-CP) oxidation compared to that in the bulk solution. Enzyme-like catalytic kinetics were observed, with N-sites of the N-doped carbon support serving for activating 4-CP via interfacial electronic interactions, while Co activates PMS to generate 1O2. The interfacial charge transfer lowers the energy barrier for 1O2 to approach the aromatic ring of 4-CP, which is the rate-limiting step in the oxygenation reaction. Our findings lay the foundation and offer guidance for designing catalysts that facilitate the efficient generation and use of 1O2, expanding its application to a broader range of oxidation processes.
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