eg Orbital Occupancy-Dependent Intrinsic Catalytic Activity of Zn–Co–Mn Spinel Oxides in Fenton-like Reactions

化学 尖晶石 催化作用 三元运算 密度泛函理论 解吸 无机化学 分解 过渡金属 吸附 光化学 计算化学 物理化学 材料科学 有机化学 冶金 计算机科学 程序设计语言
作者
Wenqian Li,Shuangqing Xia,Zhenyi Wang,Jiaxuan Yang,Bin Zhang,Kun Qian,Lijuan Zhang,An Ding,Jun Ma,Xu He
出处
期刊:ACS ES&T water [American Chemical Society]
卷期号:3 (8): 2638-2646 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsestwater.3c00115
摘要

Transition-metal (TM)-based spinel oxides have demonstrated excellent efficacy in Fenton-like reactions, but the key mechanism behind peroxymonosulfate (PMS) adsorption, decomposition, and pollutant degradation is still unclear. Here, a crucial role of eg orbital occupancy in manipulating the interaction between PMS and Zn–Co–Mn ternary spinel catalysts and the resulting pollutant degradation is first discovered. The introduction of Co into the ZnMn2O4 network lowers the magnetic momentum and eg occupancy and favors the overlap between TM eg and O 2p orbitals. Experimental results demonstrate that the eg occupancy-dependent catalytic activity and pathway originate from its cascade effect on PMS binding, decomposition, and radical desorption. Zn–Co–Mn with optimized eg occupancy exhibits favorable PMS binding strength, interaction capability, radical desorption, and pollutant degradation. Cyclic voltammetry (CV) and density functional theory (DFT) corroborate the critical role of eg in PMS affinity. In addition, the ZnCoMnO4/PMS system shows high selectivity for carbamazepine (CBZ, 0.275 min–1) and environmental robustness. The surface active complex PMS*, the peroxymonosulfate radical, and the sulfate radical are identified as reactive species. This work provides an intrinsic mechanism behind pollutant degradation and offers guidance for performance enhancement in a water environment.
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