Transition metal single-atom embedded on N-doped carbon as a catalyst for peroxymonosulfate activation: A DFT study

化学 催化作用 吸附 单线态氧 密度泛函理论 过渡金属 电子转移 光化学 金属 激进的 Atom(片上系统) 氧气 物理化学 计算化学 有机化学 嵌入式系统 计算机科学
作者
Jiahui Hu,Li Yin,Yubin Zou,Lin Lin,Bing Li,Xiaoyan Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:437: 135428-135428 被引量:119
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.135428
摘要

Single-atom catalysts perform excellently in peroxymonosulfate (PMS)-based advanced oxidation processes (AOPs), for which the generation of reactive oxygen species (ROS) is essential to the degradation of emerging organic pollutants in water. However, the detailed PMS activation mechanisms remain elusive. Density functional theory (DFT) calculation as a powerful approach can overcome the limitations of the experimental studies, providing a molecular-level perspective of catalytic process. This study conducted DFT calculations to clarify the electronic structures and PMS adsorption and activation mechanisms of a series of transition metal single-atom catalysts. According to the DFT study, significant electronic interaction and negative formation energy make nitrogen-doped carbon ([email protected]) supports suitable for stabilizing metal atoms (Me) to form [email protected] catalysts. As the active site, single metal atom adsorbs the oxygen atoms of PMS by electrostatic and magnetic interactions, and transfer electrons from [email protected] to activate PMS. Different adsorption configurations and the subsequent PMS activation lead to the generation of various ROS, including the SO4•- radical, •OH radical, singlet oxygen (1O2), high-valent metal-oxo species, and surface-activated PMS*. Electron transfer mediated by surface-activated PMS* may dominate in all [email protected]/PMS systems. The generation of free radicals can be difficult for some systems. High-valent metal-oxo species are readily formed by [email protected]/PMS and [email protected]/PMS, whereas 1O2 tends to be produced by [email protected]/PMS, [email protected]/PMS, and [email protected]/PMS. The findings will provide a theoretical basis for the design and synthesis of effective [email protected] catalysts for the AOPs to remove emerging organic pollutants from water and wastewater.
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