Overcoming Acidic H2O2/Fe(II/III) Redox-Induced Low H2O2 Utilization Efficiency by Carbon Quantum Dots Fenton-like Catalysis

化学 氧化还原 无机化学 碳纤维 材料科学 复合材料 复合数
作者
Ting Zhang,Yichan Wen,Zhelun Pan,Yasutaka Kuwahara,Kohsuke Mori,Hiromi Yamashita,Yixin Zhao,Xufang Qian
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (4): 2617-2625 被引量:163
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c06276
摘要

Fenton reaction has important implications in biology- and environment-related remediation. Hydroxyl radicals (OH) and hydroxide (OH-) were formed by a reaction between Fe(II) and hydrogen peroxide (H2O2). The acidic H2O2/Fe(II/III) redox-induced low H2O2 utilization efficiency is the bottleneck of Fenton reaction. Electron paramagnetic resonance, surface-enhanced Raman scattering, and density functional theory calculation indicate that the unpaired electrons in the defects of carbon quantum dots (CQDs) and the carboxylic groups at the edge have a synergistic effect on CQDs Fenton-like catalysis. This leads to a 33-fold higher H2O2 utilization efficiency in comparison with Fe(II)/H2O2 Fenton reaction, and the pseudo-first-order reaction rate constant (kobs) increases 38-fold that of Fe(III)/H2O2 under equivalent conditions. The replacement of acidic H2O2/Fe(II/III) redox with CQD-mediated Fe(II/III) redox improves the sluggish Fe(II) generation. Highly effective production of OH in CQDs-Fe(III)/H2O2 dramatically decreases the selectivity of toxic intermediate benzoquinone. The inorganic ions and dissolved organic matter (DOM) in real groundwater show negligible effects on the CQDs Fenton-like catalysis process. This work presents a process with a higher efficiency of utilization of H2O2in situ chemical oxidation (ISCO) to remove persistent organic pollutants.
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