Tuning Fe 3 O 4 for sustainable cathodic heterogeneous electro-Fenton catalysis by acetylated chitosan

催化作用 壳聚糖 化学 化学工程 阴极保护 分子 过氧化氢 绿色化学 组合化学 纳米技术 有机化学 材料科学 反应机理 电化学 物理化学 电极 工程类
作者
Xiaocheng Liu,Kun-Xiao Zhang,Junsheng Song,Guannan Zhou,Wenqiang Li,Rong-Rong Ding,Jing Wang,Xusheng Zheng,Gongming Wang,Yang Mu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (13) 被引量:3
标识
DOI:10.1073/pnas.2213480120
摘要

Peroxidase-like catalysts are safe and low-cost candidates to tackle the dilemma in constructing sustainable cathodic heterogeneous electro-Fenton (CHEF) catalysts for water purification, but the elusive structure-property relationship of enzyme-like catalysts constitutes a pressing challenge for the advancement of CHEF processes in practically relevant water and wastewater treatment. Herein, we probe the origins of catalytic efficiency in the CHEF process by artificially tailoring the peroxidase-like activity of Fe3O4 through a series of acetylated chitosan-based hydrogels, which serve as ecofriendly alternatives to traditional carbon shells. The optimized acetylated chitosan wrapping Fe3O4 hydrogel on the cathode shows an impressive activity and stability in CHEF process, overcoming the complicated and environmentally unfavored procedures in the electro-Fenton-related processes. Structural characterizations and theoretical calculations reveal that the amide group in chitosan can modulate the intrinsic redox capacity of surficial Fe sites on Fe3O4 toward CHEF catalysis via the neutral hydrogen bond. This work provides a sustainable path and molecule-level insight for the rational design of high-efficiency CHEF catalysts and beyond.
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