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Iron Doping of hBN Enhances the Photocatalytic Oxidative Defluorination of Perfluorooctanoic Acid

全氟辛酸 材料科学 光催化 兴奋剂 氧化磷酸化 无机化学 光化学 纳米技术 环境化学 有机化学 催化作用 化学 生物化学 光电子学
作者
Sarah Glass,Harikishan Kannan,Johanna I. Bangala,Yu Chen,Jordin Metz,Riaz Mowzoon-Mogharrabi,Guanhui Gao,Meiyazhagan Ashokkumar,Michael S. Wong,Pulickel M. Ajayan,Thomas P. Senftle,Pedro J. J. Alvarez
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c01963
摘要

There is a growing need to effectively eliminate perfluorooctanoic acid (PFOA) from contaminated water, which requires extensive defluorination. Photocatalysis offers potential for PFOA degradation under ambient conditions without the need for treatment chemicals. However, photocatalytic treatment generally results in limited defluorination and, thus, incomplete elimination of potential toxicity and liability. This underscores the need to advance mechanistic understanding of the factors limiting PFOA oxidative defluorination. Here, we tested the hypothesis that direct electron transfer from PFOA to transition metals enhances photocatalytic defluorination. We developed a novel, facile approach to simultaneously functionalize and dope hexagonal boron nitride (hBN) (which is known to effectively catalyze photocatalytic PFOA oxidation) with Fe(III), using deep-eutectic solvents (DES). Addition of Fe(III) to synthesize Fe-hBN created new active sites for PFOA oxidation and doubled the defluorination extent (>40% fluoride release from initial 50 mg L–1 PFOA) compared to undoped hBN in 4 h reactions under 254 nm irradiation (64.4 W m–2). The mechanism of defluorination was elucidated through scavenger experiments that show the importance of photocatalytically generated electron holes for initiating PFOA degradation. Experiments also suggest that Fe(III) played a key role in PFOA removal, contributing to the improved extent of defluorination over undoped hBN. Density functional theory indicates that Fe(III) sites enable electrostatic adsorption of PFOA to the catalyst surface, enhance charge transfer, and promote hole localization to improve charge carrier separation, which is essential for oxidative defluorination of PFOA. This mechanistic insight informs catalytic material design to enhance oxidative defluorination processes.
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