Breaking the Rigid-Locking Effect: Unlocking Efficient Fenton-Like Reactions for Water Decontamination

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作者
Changhui Zhou,Yichen Gong,Jinhua Li,Guanjun Qu,Ruiqing Zhao,Zhiyuan Su,Zhinan Dai,Yaobin Wang,Chaoyue Xie,Shiyun Zhu,Jing Yang Bai,Mingce Long,Baoxue Zhou
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (41): 29665-29675
标识
DOI:10.1021/acs.est.6c10801
摘要

Overcoming the kinetic bottleneck of Fe(II) regeneration has always been a top priority for enhancing Fenton/Fenton-like processes to degrade emerging contaminants (ECs). In conventional iron-based catalysts (e.g., Fe2O3, FeOOH), the iron center is tightly locked inside a rigid cage of hexa-oxygen coordination ([FeO6] unit) that is resistant to geometric distortion and electron transfer. This phenomenon, termed "Rigid Locking Effect", hinders the Fe(III)-to-Fe(II) conversion. To break this, we propose a ligand-engineering strategy by partially replacing oxygen coordination with chlorine, featuring a unique [O-FeCl4-O] motif in laminated reduced graphene oxide (rGO) nanochannels. DFT calculations and Fe XAS spectra reveal that the active [O-FeCl4-O] unit exhibits "Rigid" breaking, including low reorganization energy, strong electron delocalization, and enhanced spin-orbit coupling (SOC). This tailored motif significantly promotes Fe(II)/Fe(III) cycling, resulting in a turnover frequency per iron site (TOFFe) of 43.66 h-1, which is a 1091-fold enhancement compared to that of the conventional [FeO6] motif in Fe2O3. This enhancement leads to a 30.7-fold increase in HO• yield, enabling efficient removal of diverse ECs in complex water matrices and during long-term continuous operation. This study establishes a proof-of-concept paradigm for designing efficient heterogeneous catalysts and advances practical Fenton-based water decontamination.
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