Fe Single-Atom Catalyst for Cost-Effective yet Highly Efficient Heterogeneous Fenton Catalysis

催化作用 材料科学 多相催化 化学工程 Atom(片上系统) 纳米技术 化学 有机化学 计算机科学 工程类 嵌入式系统
作者
Bofang Shi,Hang Li,Xiaojie Fu,Chengcheng Zhao,Mingtao Li,Maochang Liu,Wei Yan,Honghui Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (48): 53767-53776 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsami.2c15232
摘要

High energy consumption in pyrolyzing precursors for catalyst preparation would limit the application of nitrogen-doped carbon-based single-atom catalysts in actual pollutant remediation. Herein, we report an Fe single atom (7.67 wt %) loaded polyaniline catalyst (Fe-PANI) prepared via a simple impregnation process without pyrolysis. Both experimental characterizations and density functional theory calculations demonstrated that isolated −N═ group sites can fasten Fe atoms through Fe–N coordination in PANI, leading to a high stability of Fe atoms in a heterogeneous Fenton reaction. Highly dispersive yet dense −N═ groups in PANI can be protonated to be adsorption sites, which largely reduce the migration distance between reactive radicals and organics. More significantly, frontier molecular orbitals and spin-density distributions reveal that electrons can transfer from reduction groups of PANI to an Fe(III) site to accelerate its reduction. As a result, a remarkably boosted degradation behavior of organics under near-neutral conditions (pH 6), with low H2O2 concentration, was achieved. This cost-effective Fe-PANI catalyst with high catalytic activity, stability, and adsorption performance has great potential for industrial-level wastewater treatment.
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