Single-Atom Cobalt Incorporated in a 2D Graphene Oxide Membrane for Catalytic Pollutant Degradation

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作者
Xuanhao Wu,Kali Rigby,Dahong Huang,Tayler Hedtke,Xiaoxiong Wang,Myoung Won Chung,Seunghyun Weon,Eli Stavitski,Jae‐Hong Kim
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (2): 1341-1351 被引量:132
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c06371
摘要

We introduce a new graphene oxide (GO)-based membrane architecture that hosts cobalt catalysts within its nanoscale pore walls. Such an architecture would not be possible with catalysts in nanoscale, the current benchmark, since they would block the pores or alter the pore structure. Therefore, we developed a new synthesis procedure to load cobalt in an atomically dispersed fashion, the theoretical limit in material downsizing. The use of vitamin C as a mild reducing agent was critical to load Co as dispersed atoms (Co1), preserving the well-stacked 2D structure of GO layers. With the addition of peroxymonosulfate (PMS), the Co1-GO membrane efficiently degraded 1,4-dioxane, a small, neutral pollutant that passes through nanopores in single-pass treatment. The observed 1,4-dioxane degradation kinetics were much faster (>640 times) than the kinetics in suspension and the highest among reported persulfate-based 1,4-dioxane destruction. The capability of the membrane to reject large organic molecules alleviated their effects on radical scavenging. Furthermore, the advanced oxidation also mitigated membrane fouling. The findings of this study present a critical advance toward developing catalytic membranes with which two distinctive and complementary processes, membrane filtration and advanced oxidation, can be combined into a single-step treatment.
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