Manipulating the Selective Generation of Hydroxyl Radicals by Nitrogen-Doped Carbon Catalysts for Efficient Fenton-Like Reactions

催化作用 化学 激进的 均分解 异构化 热解 过氧化氢 碳纤维 羟基自由基 氮气 无机化学 光化学 有机化学 材料科学 复合数 复合材料
作者
Meirong Wu,Jiexiang Li,Wei Sun,Yue Yang
出处
期刊:ACS ES&T engineering [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsestengg.4c00390
摘要

Hydroxyl radical (•OH)-dominated Fenton-like reactions offer a promising strategy for the degradation of refractory organic pollutants. However, the application of nitrogen-doped carbon (NC) catalysts for •OH generation is hindered by the loss of active nitrogen species during high-temperature synthesis (900–1200 °C), and an effective strategy to promote the homolytic cleavage of hydrogen peroxide (H2O2) remains necessary. Herein, an NC catalyst with abundant active nitrogen for enhanced •OH generation was prepared from zeolitic imidazolate frameworks by low-temperature pyrolysis at 800 °C, followed by acid-washing. Theoretical calculations and experimental results demonstrated that pyridinic and pyrrolic N significantly enhance the homolytic cleavage of H2O2, leading to selective and efficient generation of •OH, while graphitic N favors the less effective heterolytic cleavage pathway. Building on this finding, the active N species were precisely regulated by adjusting the pyrolysis temperature, resulting in the optimized NC-800 catalyst achieving 91.13% total organic carbon removal for extracting wastewater from spent lithium-ion battery recycling. Moreover, the activity of NC-800 was restored after simple thermal treatment, demonstrating excellent regeneration capability. This study sheds light on strengthening the pathways of NC catalysts through manipulating nitrogen species and provides an efficient approach for wastewater treatment.

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