Electron delocalization triggers nonradical Fenton-like catalysis over spinel oxides

尖晶石 催化作用 化学 离域电子 光化学 电子 材料科学 量子力学 冶金 有机化学 物理
作者
Zhiyan Guo,Yang Si,Wen-Qi Xia,Fan Wang,Houqi Liu,Cheng Yang,Wenjun Zhang,Wen‐Wei Li
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:119 (31): e2201607119-e2201607119 被引量:349
标识
DOI:10.1073/pnas.2201607119
摘要

Nonradical Fenton-like catalysis offers opportunities to overcome the low efficiency and secondary pollution limitations of existing advanced oxidation decontamination technologies, but realizing this on transition metal spinel oxide catalysts remains challenging due to insufficient understanding of their catalytic mechanisms. Here, we explore the origins of catalytic selectivity of Fe–Mn spinel oxide and identify electron delocalization of the surface metal active site as the key driver of its nonradical catalysis. Through fine-tuning the crystal geometry to trigger Fe–Mn superexchange interaction at the spinel octahedra, ZnFeMnO 4 with high-degree electron delocalization of the Mn–O unit was created to enable near 100% nonradical activation of peroxymonosulfate (PMS) at unprecedented utilization efficiency. The resulting surface-bound PMS* complex can efficiently oxidize electron-rich pollutants with extraordinary degradation activity, selectivity, and good environmental robustness to favor water decontamination applications. Our work provides a molecule-level understanding of the catalytic selectivity and bimetallic interactions of Fe–Mn spinel oxides, which may guide the design of low-cost spinel oxides for more selective and efficient decontamination applications.
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