Ultrafast Peroxymonosulfate Activation via an Easily Synthesized Cobalt Cluster for Selective Cobalt(IV)═O Generation

催化作用 化学 吸附 星团(航天器) 动力学 反应速率常数 氧化还原 密度泛函理论 降级(电信) 过渡金属 光化学 化学工程 化学动力学 碳纤维 无机化学 配体(生物化学) 多相催化 氧化态 材料科学 动能 纳米颗粒 反应机理 工作(物理) 活化能
作者
Weifang Zhang,Lianyang Huang,Weijing Guo,Yuan Cheng,Menglu Zhang,Aristides Bakandritsos,Radek Zbořil,Chunli Wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (43): 23622-23632 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c10140
摘要

In Fenton-like reactions, the elevation of the spin state of transition metals enhances the redox processes of adsorbed peroxides and improves the oxidative performance. This study reports an easily accessible carbon-supported high-spin cobalt cluster, Co–NCs/C, which demonstrates enhanced kinetics through selective high-valent cobalt-oxo species (Co(IV)═O) generation for peroxymonosulfate (PMS)-induced catalytic oxidation. This catalyst achieves rapid degradation of sulfamethoxazole (SMX) within the modified kinetic rate constant ( k -value) of 2001.7, surpassing all previously reported Co-based catalysts. Furthermore, combined experimental characterizations and density functional theory calculations demonstrate the stable size distribution of cobalt clusters anchored on carbon supports. Within a broad size distribution (0–6 nm), these clusters consistently retain high-spin configurations and exhibit excellent catalytic performance in SMX degradation. The tailored electronic structure of the high-spin Co sites enhances the adsorption and activation of PMS, thereby accelerating the degradation process. This work provides a practical and cost-effective strategy for designing high-efficiency catalysts for PMS-based advanced oxidation processes.
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