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Oxygen doping of cobalt-single-atom coordination enhances peroxymonosulfate activation and high-valent cobalt–oxo species formation

催化作用 化学 氧化还原 氧化态 兴奋剂 无机化学 材料科学 光电子学 生物化学
作者
Qian‐Yuan Wu,Zheng‐Wei Yang,Zhiwei Wang,Wenlong Wang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (16): e2219923120-e2219923120 被引量:404
标识
DOI:10.1073/pnas.2219923120
摘要

The high-valent cobalt–oxo species (Co(IV)=O) is being increasingly investigated for water purification because of its high redox potential, long half-life, and antiinterference properties. However, generation of Co(IV)=O is inefficient and unsustainable. Here, a cobalt-single-atom catalyst with N/O dual coordination was synthesized by O-doping engineering. The O-doped catalyst (Co-OCN) greatly activated peroxymonosulfate (PMS) and achieved a pollutant degradation kinetic constant of 73.12 min −1 g −2 , which was 4.9 times higher than that of Co-CN (catalyst without O-doping) and higher than those of most reported single-atom catalytic PMS systems. Co-OCN/PMS realized Co(IV)=O dominant oxidation of pollutants by increasing the steady-state concentration of Co(IV)=O (1.03 × 10 −10 M) by 5.9 times compared with Co-CN/PMS. A competitive kinetics calculation showed that the oxidation contribution of Co(IV)=O to micropollutant degradation was 97.5% during the Co-OCN/PMS process. Density functional theory calculations showed that O-doping influenced the charge density (increased the Bader charge transfer from 0.68 to 0.85 e), optimized the electron distribution of the Co center (increased the d-band center from −1.14 to −1.06 eV), enhanced the PMS adsorption energy from −2.46 to −3.03 eV, and lowered the energy barrier for generation of the key reaction intermediate (*O*H 2 O) during Co(IV)=O formation from 1.12 to 0.98 eV. The Co-OCN catalyst was fabricated on carbon felt for a flow-through device, which achieved continuous and efficient removal of micropollutants (degradation efficiency of >85% after 36 h operation). This study provides a new protocol for PMS activation and pollutant elimination through single-atom catalyst heteroatom-doping and high-valent metal–oxo formation during water purification.
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