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Role of nitrogen dual reaction sites in N-doped graphene aerogels for synergistic sulfamethoxazole adsorption and peroxymonosulfate activation in Fenton-like process

化学 催化作用 电子转移 吸附 石墨烯 氧化物 微型多孔材料 反应速率常数 过硫酸盐 降级(电信) 化学工程 光化学 物理化学 动力学 有机化学 工程类 物理 电信 量子力学 计算机科学
作者
Ning An,Shijing Li,Bentuo Xu,Linbo Qian,Yi Shen,Kun Wang,Xiangyu Li,Min Zhao,Xiangyong Zheng,Renlan Liu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:475: 146309-146309 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.146309
摘要

Persulfate-based advanced oxidation technology is widely used in water treatment, and the key is to develop catalysts showing excellent performance. In this study, an N-doped graphene aerogel (N-GA-2) with a three-dimensional macroscopic structure was prepared by chemically reducing graphene oxide using ethylenediamine (EDA) and was used to activate peroxymonosulfate (PMS) for sulfamethoxazole (SMX) degradation. N-GA-2 has high pyridinic N content (5.84 at.%), and shows excellent catalytic performance in the activation of PMS. The SMX degradation rate was 94.11% within 90 min, and the first-order reaction rate constant was 0.0231 min−1. Furthermore, the adsorption of SMX on N-GA-2 was chemisorption, and the maximum adsorption capacity (qm) was 250.00 mg/g. Quenching experiments and electrochemical tests confirmed that the electron-transfer pathway was the main reason for SMX degradation. X-ray photoelectron spectroscopy and density functional theory revealed that pyridinic N, adjacent C atoms and electron-rich C = O functional groups were involved in the degradation of SMX. Specially, pyridinic N functioned as dual reaction sites for both SMX adsorption and PMS activation. The formation of SMX/N-GA-2* and N-GA-2/PMS* complexes, dominated by pyridinic N, enabled the completion of electron-transfer pathways. In addition, N-GA-2/PMS/SMX system demonstrated superior continuous catalytic performance in fluidized-bed experimental facility simulating practical applications, which can stably and sustainedly degrade SMX. This study focuses on the mechanism of electron transfer pathway induced by nitrogen dual reaction site in N-doped graphene aerogel and explores its potential application in engineering. This will provide basic theoretical support for the practical application of N-GA-2/PMS catalytic system.
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