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Unveiling the Key Role of Surface Oxidation through Quantifying Reaction Kinetics in Heterogeneous Catalysis for Water Treatment

动力学 催化作用 化学 多相催化 地表水 化学动力学 环境化学 化学工程 环境科学 环境工程 有机化学 工程类 量子力学 物理
作者
Tonghe Zhu,Yun‐Fei Xu,Xinglin Lu,Yi Yang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (24): 12328-12339 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c01560
摘要

Quantifying surface-specific kinetics of organic oxidation in heterogeneous catalytic systems remains a critical challenge due to the interplay of adsorption and complex reaction mechanisms. In this study, we introduce a novel kinetic framework that distinguishes surface reaction kinetics (kc) from conventional solution-phase kinetics (kb), using nitrogen-doped porous carbon (NPC) as a model catalyst with high adsorption capacity and exceptional efficacy in peroxymonosulfate (PMS) activation. By directly analyzing the selective oxidation of fully adsorbed para-substituted phenolic compounds (p-PCs), we precisely quantified kc and established robust QSAR models with remarkable linear correlations (R2 = 0.862-0.912) to molecular descriptors such as Hammett constant (σ), highest occupied molecular orbital energy (EHOMO), and ionization potential (IP). In contrast, kb-based models showed weaker correlations (R2 = 0.363-0.551), reflecting interference from adsorption-desorption dynamics. This distinction underscores the limitations of solution-phase kinetics in systems with strong adsorption properties and highlights the enhanced mechanistic understanding and predictive power of surface-specific models. Further analysis revealed surface-selective oxidation via an electron transfer pathway, predominantly governed by the electronic properties of p-PCs rather than their adsorption affinity. These findings provide a valuable approach to accurately capture surface reactivity and predicting pollutant behavior in heterogeneous sorption-oxidation systems.
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