Cooperative Spin Alignment Enhances Selective Singlet Oxygen Generation in Wastewater Pre‐Oxidation System

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作者
Tao Zhang,Yi Du,Yihuai Zhang,Yaoqi Liu,Pengfei Wang,Sihui Zhan
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (20): e8246739-e8246739 被引量:2
标识
DOI:10.1002/anie.8246739
摘要

ABSTRACT Selective nonradical oxidation to enhance biodegradability is an attractive route for wastewater pretreatment, but molecular control of peroxymonosulfate (PMS) activation remains elusive. Here we report a Fe‐N 4 catalyst with second‐shell boron coordination (FeN 4 /B) synthesized by supramolecular self‐assembly. The second‐shell B imposes long‐range electronic regulation and cooperative spin alignment, shifting the Fe‐PMS * adduct to a high‐spin configuration and promoting spin‐allowed interfacial charge transfer. Concomitantly, covalent B─H bonding with PMS generates the key SO 5 * intermediate that channels PMS activation toward singlet oxygen. This structural control delivers ≥96% 1 O 2 selectivity with an observed rate constant k obs = 1.64 min −1 , a 1 O 2 production rate of 227 µmol L −1 min −1 , and 98% PMS‐to‐ 1 O 2 conversion. FeN 4 /B rapidly degrades 15 highly biotoxic pollutants within 10 min and retains activity under pH fluctuations, common ion/DOM interference, and across diverse natural waters. Implemented as a hydrogel‐immobilized ALICR‐FeN 4 /B module, the catalyst operated continuously for 168 h, increased effluent biodegradability (BOD/COD > 0.50), reduced acute toxicity, and lowered downstream biological treatment load at an estimated pretreatment cost of ∼$0.14 t −1 . These results establish cooperative spin alignment as a central lever of second‐shell engineering, bridging atomistic design and scalable water treatment to enable practical, economically favorable pretreatment based on selective PMS‐to‐ 1 O 2 conversion.
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