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

化学 星团(航天器) 无机化学 计算机科学 程序设计语言
作者
Weifang Zhang,Lianyang Huang,Wen-Ti 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
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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