Activation of oxalic acid via dual-pathway over single-atom Fe catalysts: Mechanism and membrane application

草酸 催化作用 机制(生物学) 对偶(语法数字) 化学 Atom(片上系统) 双重角色 组合化学 无机化学 生物化学 计算机科学 物理 量子力学 艺术 文学类 嵌入式系统
作者
Xiaoke Zhang,Jianhui Liu,Xiucheng Zheng,Rong Chen,Meng Zhang,Zhongyi Liu,Zhiyuan Wang,Jun Li
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier]
卷期号:321: 122068-122068 被引量:40
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2022.122068
摘要

Oxalic acid (OA), together with its ligand, appears in diverse biotic and abiotic processes in nature. However, the applications of the photochemical property of OA and its complexes in environmental purification are scarce. Herein, we reported a Fe single-atom catalyst with Fe-N4 configuration supported on g-C3N4 (Fe-CN) to activate OA for ultrahigh-efficiency removal of Cr(VI) under visible light irradiation through dual pathways: the photo-dissociation of [FeⅢ(C2O4)]+ and the reaction between OA and photogenerated holes, achieving the generation of •CO2-. The introduction of Fe-N4 favors the formation of configuration [FeⅢ(C2O4)]+ and fabricates the electron transfer channel from catalyst to OA, further decreases the energy barriers of •CO2- generation, and thereafter efficiently facilitates the C-C cleavage for the generate of •CO2-. Meanwhile, the strong coordination interaction over Fe single atoms and N atoms could enhance the separation efficiency of photo-carriers and further promote the reduction activity. Under optimal conditions, Fe-CN showed a 5.1-fold increasement in photocatalytic kinetics contrast to pristine CN. The Fe-CN catalyst attached on fibrous membrane for treatment of flowing Cr(VI) wastewater exhibits 90% reduction efficiency over 10 h, which is expected to facilitate the practical application of the catalyst. The mechanism of OA activation with dual-pathway was unveiled by in-situ Fourier transform infrared spectra and theoretical calculations. This work provides an important guidance for the application of OA and its complexes to achieve the attenuation of toxic and harmful heavy metal in water restoration.
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