New insight into electrochemical denitrification using a self-organized nanoporous VO-Co3O4/Co cathode: Plasma-assistant oxygen vacancies catalyzed efficient nitrate reduction

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作者
Yiwen Chen,Junguo He,Heliang Pang,Peigen Jiang,Fangshu Qu,Dehai Yu,Jie Zhang
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier BV]
卷期号:850: 157845-157845 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.157845
摘要

A novel self-organized nanoporous VO-Co3O4/Co cathode was prepared via anodization and plasma treatment and obtained a significant nitrate reduction efficiency. In the anodization, an oxide layer with the nano-sized pore structure initially grew in-situ on the Co substrate and showed a better surface area. Subsequently, He-plasma increased surface oxygen vacancies (VO) from 24 % to 57 %. Electrons in vacancies were charged into empty eg orbital of low-spin Co3+(Oh, octahedral) and firstly generated high-spin Co2+(Oh) with the configuration of t2g6eg1, accounting for 71.7 % of cobalt species. Accordingly, two original mechanisms (Vo-catalyzed and Co2+(Oh)-catalyzed) were concluded in this study. Oxygen vacancies increased the charge intensity and served as absorption sites in nitrate reduction. Meanwhile, massive Co2+(Oh) provided electrons in the eg orbital with a higher energy state and mediated the faster electron transfer through a Co2+-Co3+-Co2+ redox cycle, compared with Co2+ (Td, tetrahedral). Ultimately, a faster reaction kinetic of 0.0220 min-1 was achieved by VO-Co3O4 than other cathodes e.g., Co3O4 (0.0150 min-1). Such VO-Co3O4/Co cathode-based denitrification strategy displayed great advantages in engineering application and completely removed 90 % of TN from actual wastewater.
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