Self-carbon-thermal-reduction strategy for boosting the Fenton-like activity of single Fe-N4 sites by carbon-defect engineering

催化作用 碳纤维 苯酚 材料科学 金属 化学工程 降级(电信) 化学 纳米技术 有机化学 冶金 复合材料 复合数 计算机科学 电信 工程类
作者
Shengjie Wei,Yibing Sun,Yun‐Ze Qiu,Ang Li,Ching‐Yu Chiang,Hai Xiao,Jieshu Qian,Yadong Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:100
标识
DOI:10.1038/s41467-023-43040-5
摘要

Carbon-defect engineering in metal single-atom catalysts by simple and robust strategy, boosting their catalytic activity, and revealing the carbon defect-catalytic activity relationship are meaningful but challenging. Herein, we report a facile self-carbon-thermal-reduction strategy for carbon-defect engineering of single Fe-N4 sites in ZnO-Carbon nano-reactor, as efficient catalyst in Fenton-like reaction for degradation of phenol. The carbon vacancies are easily constructed adjacent to single Fe-N4 sites during synthesis, facilitating the formation of C-O bonding and lowering the energy barrier of rate-determining-step during degradation of phenol. Consequently, the catalyst Fe-NCv-900 with carbon vacancies exhibits a much improved activity than the Fe-NC-900 without abundant carbon vacancies, with 13.5 times improvement in the first-order rate constant of phenol degradation. The Fe-NCv-900 shows high activity (97% removal ratio of phenol in only 5 min), good recyclability and the wide-ranging pH universality (pH range 3-9). This work not only provides a rational strategy for improving the Fenton-like activity of metal single-atom catalysts, but also deepens the fundamental understanding on how periphery carbon environment affects the property and performance of metal-N4 sites.
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