Catalytic Ozonation of Ketoprofen with In Situ N-Doped Carbon: A Novel Synergetic Mechanism of Hydroxyl Radical Oxidation and an Intra-Electron-Transfer Nonradical Reaction

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作者
Zhiqiang Sun,Lei Zhao,Caihong Liu,Yufei Zhen,Jun Ma
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:53 (17): 10342-10351 被引量:115
标识
DOI:10.1021/acs.est.9b02745
摘要

A novel synergetic mechanism of hydroxyl radical (•OH) oxidation and an intra-electron-transfer nonradical reaction was found in the catalytic ozonation of ketoprofen (KTP) with the in situ N-doped hollow sphere carbon (NHC). Outperforming the conventional •OH-based catalytic ozonation process, O3/NHC not only realized an enhancement of the pseudo-first-order rate constant of 11 times in comparison with that of O3 alone, but was also endowed with a high stability over a wide pH (4-9) and temperature (15-35 °C) range for the degradation of KTP. The high graphitization degree (ID/IG = 0.78-0.88) and low unsaturated oxygen content (0.10-1.38%) of NHC highlighted the dominant role of N-heteroatoms in the O3/NHC system. The specific effects of different N species were confirmed by a relationship study (N property vs catalytic activity) and X-ray photoelectron spectroscopy characterization. The graphitic N forming in the bulk of the graphitic structure served as the "electron-mobility" region to promote KTP degradation with the transfer of electrons from the KTP molecule to O3 via a nonradical reaction process. The pyrrolic and pyridinic N located at defects of the graphitic structure acted as the "radical-generation" region to decompose O3 into •OH for degrading KTP by a radical oxidation process. This finding provided a brand new insight into engineering N-doped carbonaceous catalysts precisely in the catalytic ozonation process for the efficient treatment of organic-contaminated water.
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