Regulating nonradicals generation through peroxymonosulfate activation via localized dipole to enhance wastewater biodegradability

生物降解 废水 化学 环境科学 环境化学 环境工程 有机化学
作者
Zhiyong Zhao,Gaohua Yang,Pengfei Wang,Shuai Yue,Mengxue Yang,Tao Zhang,Sihui Zhan
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 5861-5861 被引量:75
标识
DOI:10.1038/s41467-025-60964-2
摘要

It is still greatly desirable to activate peroxymonosulfate (PMS) forming nonradicals for the removal of electron-rich contaminants in complex water matrices. However, achieving this on heterogeneous metal-based catalysts with uniform electron distribution remains challenging due to the asymmetric structure of PMS molecules (H-O-O-SO3-). Here, inspired by the dipole effect, we design a Co-doped ZnO catalyst (ZOC) to break charge symmetry at active sites and enhance nonradicals generation. The high charge density at Co sites facilitates two-electron transfer, promoting O-O and O-H bond cleavage to form high-valent cobalt-oxo (CoIV=O), while positively polarized Zn sites drive PMS self-decomposition to generate singlet oxygen (1O2). As a result, the synergistic system of 1O2 and CoIV = O results in a k-value of 73.93 min⁻¹ M⁻¹ for aniline (AN) degradation, 189.6 times higher than ZnO/PMS (ZO/PMS), and also shows a high selectivity for electron-rich new pollutants. The practicality of this outstanding nonradicals system is confirmed by a significant increase in biochemical oxygen demand/chemical oxygen demand (BOD/COD) of the mixed wastewater to over 0.55 in the air-lifting internal circulating reactor. This study offers a structural regulation for controlling catalytic functionality and provides general guidelines for designing Fenton-like reactors to enhance wastewater biodegradability. A Co-doped ZnO catalyst is developed to break charge symmetry at active sites, promoting the activation of peroxymonosulfate to generate nonradical species for efficient removal of electron-rich pollutants in complex water environments.
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