A polymer tethering strategy to achieve high metal loading on catalysts for Fenton reactions

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作者
Lixin Wang,Longjun Rao,Maoxi Ran,Qikai Shentu,Zenglong Wu,Wenkai Song,Ziwei Zhang,Hao Li,Yuyuan Yao,Weiyang Lv,Mingyang Xing
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:86
标识
DOI:10.1038/s41467-023-43678-1
摘要

The development of heterogenous catalysts based on the synthesis of 2D carbon-supported metal nanocatalysts with high metal loading and dispersion is important. However, such practices remain challenging to develop. Here, we report a self-polymerization confinement strategy to fabricate a series of ultrafine metal embedded N-doped carbon nanosheets (M@N-C) with loadings of up to 30 wt%. Systematic investigation confirms that abundant catechol groups for anchoring metal ions and entangled polymer networks with the stable coordinate environment are essential for realizing high-loading M@N-C catalysts. As a demonstration, Fe@N-C exhibits the dual high-efficiency performance in Fenton reaction with both impressive catalytic activity (0.818 min-1) and H2O2 utilization efficiency (84.1%) using sulfamethoxazole as the probe, which has not yet been achieved simultaneously. Theoretical calculations reveal that the abundant Fe nanocrystals increase the electron density of the N-doped carbon frameworks, thereby facilitating the continuous generation of long-lasting surface-bound •OH through lowering the energy barrier for H2O2 activation. This facile and universal strategy paves the way for the fabrication of diverse high-loading heterogeneous catalysts for broad applications.
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