Dual Nonradical Catalytic Pathways Mediated by Nanodiamond-Derived sp2/sp3 Hybrids for Sustainable Peracetic Acid Activation and Water Decontamination

过氧乙酸 催化作用 过硫酸盐 氧化还原 化学 活性氧 光化学 电子转移 单线态氧 无机化学 过氧化氢 氧气 生物化学 有机化学
作者
Fei Miao,Cheng Cheng,Wei Ren,Hui Zhang,Shaobin Wang,Xiaoguang Duan
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (19): 8554-8564 被引量:40
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c10361
摘要

Peracetic acid (PAA) oxidation catalyzed by metal-free carbons is promising for advanced water decontamination. Nevertheless, developing reaction-oriented and high-performance carbocatalysts has been limited by the ambiguous understanding of the intrinsic relationship between carbon chemical/molecular structure and PAA transformation behavior. Herein, we comprehensively investigated the PAA activation using a family of well-defined sp2/sp3 carbon hybrids from annealed nanodiamonds (ANDs). The activity of ANDs displays a volcano-type trend, with respect to the sp2/sp3 ratio. Intriguingly, sp3-C-enriched AND exhibits the best catalytic activity for PAA activation and phenolic oxidation, which is different from persulfate chemistry in which the sp2 network normally outperforms sp3 hybridization. At the electron-rich sp2-C site, PAA undergoes a reduction reaction to generate a reactive complex (AND-PAA*) and induces an electron-transfer oxidation pathway. At the sp3-C site adjacent to C═O, PAA is oxidized to surface-confined OH* and O* successively, which ultimately evolves into singlet oxygen (1O2) as the primary reactive species. Benefiting from the dual nonradical regimes on sp2/sp3 hybrids, AND mediates a sustainable redox recycle with PAA to continuously generate reactive species to attack water contaminants, meanwhile maintaining structural/chemical integrity and exceptional reusability in cyclic runs.
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