Single-Atom Iron Can Steer Atomic Hydrogen toward Selective Reductive Dechlorination: Implications for Remediation of Chlorinated Solvents-Impacted Groundwater

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作者
Zongsheng Liang,Chuanjia Jiang,Yueyue Li,Yaqi Liu,Jiaguo Yu,Tong Zhang,Pedro J. J. Alvarez,Wei Chen
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (26): 11833-11842 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c02756
摘要

Atomic hydrogen (H*) is a powerful and versatile reductant and has tremendous potential in the degradation of oxidized pollutants (e.g., chlorinated solvents). However, its application for groundwater remediation is hindered by the scavenging side reaction of H2 evolution. Herein, we report that a composite material (Fe0@Fe-N4-C), consisting of zerovalent iron (Fe0) nanoparticles and nitrogen-coordinated single-atom Fe (Fe-N4), can effectively steer H* toward reductive dechlorination of trichloroethylene (TCE), a common groundwater contaminant and primary risk driver at many hazardous waste sites. The Fe-N4 structure strengthens the bond between surface Fe atoms and H*, inhibiting H2 evolution. Nonetheless, H* is available for dechlorination, as the adsorption of TCE weakens this bond. Interestingly, H* also enhances electron delocalization and transfer between adsorbed TCE and surface Fe atoms, increasing the reactivity of adsorbed TCE with H*. Consequently, Fe0@Fe-N4-C exhibits high electron selectivity (up to 86%) toward dechlorination, as well as a high TCE degradation kinetic constant. This material is resilient against water matrix interferences, achieving long-lasting performance for effective TCE removal. These findings shed light on the utilization of H* for the in situ remediation of groundwater contaminated with chlorinated solvents, by rational design of earth-abundant metal-based single-atom catalysts.
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