In Situ Regulation of MnO2 Structural Characteristics by Oxyanions to Boost Permanganate Autocatalysis for Phenol Removal

化学 自催化 无机化学 高锰酸盐 氧阴离子 苯酚 电子转移 碳酸氢盐 催化作用 光化学 有机化学
作者
Meng Fan Luo,Heng Zhang,Yi Ren,Hongyu Zhou,Peng Zhou,Chuan-Shu He,Zhaokun Xiong,Ye Du,Yang Liu,Bo Lai
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (34): 12847-12857
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c02167
摘要

Oxyanions, a class of constituents naturally occurring in water, have been widely demonstrated to enhance permanganate (Mn(VII)) decontamination efficiency. However, the detailed mechanism remains ambiguous, mainly because the role of oxyanions in regulating the structural parameters of colloidal MnO2 to control the autocatalytic activity of Mn(VII) has received little attention. Herein, the origin of oxyanion-induced enhancement is systematically studied using theoretical calculations, electrochemical tests, and structure–activity relation analysis. Using bicarbonate (HCO3–) as an example, the results indicate that HCO3– can accelerate the degradation of phenol by Mn(VII) by improving its autocatalytic process. Specifically, HCO3– plays a significant role in regulating the structure of in situ produced MnO2 colloids, i.e., increasing the surface Mn(III)s content and restricting particle growth. These structural changes in MnO2 facilitate its strong binding to Mn(VII), thereby triggering interfacial electron transfer. The resultant surface-activated Mn(VII)* complexes demonstrate excellent degrading activity via directly seizing one electron from phenol. Further, other oxyanions with appropriate ionic potentials (i.e., borate, acetate, metasilicate, molybdate, and phosphate) exhibit favorable influences on the oxidative capability of Mn(VII) through an activation mechanism similar to that of HCO3–. These findings considerably improve our fundamental understanding of the oxidation behavior of Mn(VII) in actual water environments and provide a theoretical foundation for designing autocatalytically boosted Mn(VII) oxidation systems.
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