High selectivity and efficient utilization of H2O2 in a metal-free Electro-Fenton system with nitrogen doped cathode for the degradation of sulfamethazine

化学 电负性 范德瓦尔斯力 吸附 降级(电信) 电子转移 金属 阴极 选择性 活性炭 无机化学 碳纤维 氮气 未成对电子 催化作用 光化学 分子 激进的 有机化学 物理化学 材料科学 电信 复合数 计算机科学 复合材料
作者
Dongdong Liu,Dengqian Chen,Lipeng Jiang,Zhengkai Hao,Bowen Deng,Limei Chen,Boyin Jia,Yunyun Sun,Xin Liu,Huitao Liu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:489: 151279-151279 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.151279
摘要

In this study, we constructed a metal-free Electro-Fenton system mediated by nitrogen-doped activated carbon modified graphite felt (NACs/GF) for degrading sulfamethazine (SMZ) through self-generation and utilization of H2O2. With the increase of activation temperature (700 ∼ 1100 ℃), graphitic N occupied the dominant position and whose nearest pyridinic N were released to form N vacancies. NAC-1100/GF E-F system had a high H2O2 selectivity (94.3 %) and an excellent H2O2 yield (44.6 mg·L−1). The OOH* as the main barrier of 2e−-ORR process was formed and desorbed at graphitic N sites, while the N vacancies could enhance electron transfer with O2* and OOH* for accelerating generation of H2O2. The 50 mg·L−1 of SMZ as pollutant could be completely degraded within 60 min in NAC-1100/GF E-F system, during which the graphitic N and pyrrolic N adsorbed SMZ through van der Waals forces, and pyridinic N adsorbed H2O2 by hydrogen bonding interactions, thus establishing a controlled reaction zone near the cathode. The highly electronegativity pyridinic N could provide electrons for catalyzing the generation of ·OH from H2O2, while N vacancies could form more unpaired electrons to facilitate the formation of 1O2. Finally, the degradation pathway of SMZ and toxicity analysis of degradation products were further clarified. This study provided valuable information for constructing metal-free Electro-Fenton systems and their application in environmental purification.
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