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Insights into Electrochemical Dehalogenation by Non-Noble Metal Single-Atom Cobalt with High Efficiency and Low Energy Consumption

卤化 催化作用 贵金属 化学 电化学 傅里叶变换红外光谱 电子顺磁共振 金属 无机化学 物理化学 化学工程 电极 有机化学 核磁共振 物理 工程类
作者
Ge Song,Huizhong Wu,Jiana Jing,Xuyang Zhang,Xuechun Wang,Shuaishuai Li,Minghua Zhou
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (38): 14482-14492 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c06021
摘要

It is critical to discover a non-noble metal catalyst with high catalytic activity capable of replacing palladium in electrochemical reduction. In this work, a highly efficient single-atom Co-N/C catalyst was synthesized with metal-organic frameworks (MOFs) as a precursor for electrochemical dehalogenation. X-ray absorption spectroscopy (XAS) revealed that Co-N/C exhibited a Co-N4 configuration, which had more active sites and a faster charge-transfer rate and thus enabled the efficient removal of florfenicol (FLO) at a wide pH, achieving a rate constant 3.5 and 2.1 times that of N/C and commercial Pd/C, respectively. The defluorination and dechlorination efficiencies were 67.6 and 95.6%, respectively, with extremely low Co leaching (6 μg L-1), low energy consumption (22.7 kWh kg-1), and high turnover frequency (TOF) (0.0350 min-1), demonstrating excellent dehalogenation performance. Spiking experiments and density functional theory (DFT) verified that Co-N4 was the active site and had the lowest energy barrier for forming atomic hydrogen (H*) (ΔGH*). Capture experiments, electron paramagnetic resonance (EPR), electrochemical tests, and in situ Fourier transform infrared (FTIR) proved that H* and direct electron transfer were responsible for dehalogenation. Toxicity assessment indicated that FLO toxicity decreased significantly after dehalogenation. This work develops a non-noble metal catalyst with broad application prospects in electrocatalytic dehalogenation.
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