Active Center Size-Dependent Fenton-Like Chemistry for Sustainable Water Decontamination

化学 人体净化 环境化学 水化学 中心(范畴论) 环境科学 废物管理 工程类 结晶学
作者
Zelin Wu,Zhaokun Xiong,Wen Liu,Rui Liu,Xuezhen Feng,Bingkun Huang,Xinhao Wang,Yixuan Gao,Hong Chen,Gang Yao,Bo Lai
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (50): 21416-21427 被引量:74
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c06887
摘要

Accurately controlling catalytic activity and mechanism as well as identifying structure-activity-selectivity correlations in Fenton-like chemistry is essential for designing high-performance catalysts for sustainable water decontamination. Herein, active center size-dependent catalysts with single cobalt atoms (CoSA), atomic clusters (CoAC), and nanoparticles (CoNP) were fabricated to realize the changeover of catalytic activity and mechanism in peroxymonosulfate (PMS)-based Fenton-like chemistry. Catalytic activity and durability vary with the change in metal active center sizes. Besides, reducing the metal size from nanoparticles to single atoms significantly modulates contributions of radical and nonradical mechanisms, thus achieving selective/nonselective degradation. Density functional theory calculations reveal evolutions in catalytic mechanisms of size-dependent catalytic systems over different Gibbs free energies for reactive oxygen species generation. Single-atom site contact with PMS is preferred to induce nonradical mechanisms, while PMS dissociates and generates radicals on clusters and nanoparticles. Differences originating from reaction mechanisms endow developed systems with size-dependent selectivity and mineralization for treating actual hospital wastewater in column reactors. This work brings an in-depth understanding of metal size effects in Fenton-like chemistry and guides the design of intelligent catalysts to fulfill the demand of specific scenes for water purification.
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