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Ultralow H 2 O 2 ‐Triggered Electron Transfer over Single‐Atom Iron Catalysts for Long‐Term Recyclable Fenton‐Like Reactions

催化作用 过氧化氢 化学 污染物 电子转移 化学工程 密度泛函理论 氧化物 无机化学 过程(计算) 降级(电信) 材料科学 多相催化 氧气 高级氧化法 臭氧 辐照 制氢 光化学 水处理 原位
作者
Yanxi Chen,Xiuying Li,Ziqi Jiang,Jingyi Yang,Zhu Wang,Mingshan Zhu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (9): e23077-e23077
标识
DOI:10.1002/anie.202523077
摘要

Abstract Excessive consumption of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) in Fenton and Fenton‐like processes highlights the urgent need for catalytic systems that enable efficient pollutant removal with low H 2 O 2 usage. In this study, we design a single‐atom iron/graphene oxide (Fe 1 ‐GO) catalyst with an Fe─O─C configuration that facilitates pollutant removal under visible‐light (VL) irradiation with minimal H 2 O 2 input, while ensuring long‐term catalytic stability. Using only 2 mM H 2 O 2 , the system sustained over 95% removal of carbamazepine (CBZ) across four cycles, exhibiting a high H 2 O 2 utilization efficiency of nearly 100% for CBZ mineralization. In situ experimental analyses and density functional theory (DFT) calculations reveal that H 2 O 2 triggers the formation of Fe(IV)═O on Fe 1 ‐GO, promoting electron transfer from CBZ to Fe(IV)═O. This process drives H 2 O 2 generation via oxygen reduction on Fe atoms, thereby continuously replenishing H 2 O 2 in the system. A large‐scale continuous‐flow reactor incorporating a Fe 1 ‐GO/polyacrylonitrile membrane efficiently removed CBZ over 420 min using only 2 mM H 2 O 2 . Compared to conventional Fenton processes, this system significantly reduces H 2 O 2 and catalyst usage, resulting in a 10‐fold decrease in operating costs. This study provides a sustainable strategy for pollutant removal through low‐H 2 O 2 ‐input, long‐term recyclable Fenton‐like reactions.
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