Distinguishing homogeneous advanced oxidation processes in bulk water from heterogeneous surface reactions in organic oxidation

过硫酸盐 催化作用 纳米材料基催化剂 化学 氧化还原 聚合 电子转移 光化学 高级氧化法 氧化物 催化氧化 多相催化 化学工程 无机化学 有机化学 聚合物 工程类
作者
Yingjie Zhang,Jie‐Jie Chen,Gui‐Xiang Huang,Wen‐Wei Li,Han‐Qing Yu,Menachem Elimelech
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (20) 被引量:74
标识
DOI:10.1073/pnas.2302407120
摘要

Clarifying the reaction pathways at the solid-water interface and in bulk water solution is of great significance for the design of heterogeneous catalysts for selective oxidation of organic pollutants. However, achieving this goal is daunting because of the intricate interfacial reactions at the catalyst surface. Herein, we unravel the origin of the organic oxidation reactions with metal oxide catalysts, revealing that the radical-based advanced oxidation processes (AOPs) prevail in bulk water but not on the solid catalyst surfaces. We show that such differing reaction pathways widely exist in various chemical oxidation (e.g., high-valent Mn3+ and MnOX) and Fenton and Fenton-like catalytic oxidation (e.g., Fe2+ and FeOCl catalyzing H2O2, Co2+ and Co3O4 catalyzing persulfate) systems. Compared with the radical-based degradation and polymerization pathways of one-electron indirect AOP in homogeneous reactions, the heterogeneous catalysts provide unique surface properties to trigger surface-dependent coupling and polymerization pathways of a two-electron direct oxidative transfer process. These findings provide a fundamental understanding of catalytic organic oxidation processes at the solid-water interface, which could guide the design of heterogeneous nanocatalysts.
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