PAN-templated synthesis of layered Co3O4 nanosheets for rapid reduction of 4-NP to 4-AP: Improved formation of unique Co3+-rich (440) facet on the crystal lattice of Co3O4

催化作用 X射线光电子能谱 化学 晶体结构 聚丙烯腈 结晶学 面(心理学) 选择性催化还原 核化学 化学工程 无机化学 有机化学 社会心理学 心理学 人格 工程类 五大性格特征 聚合物
作者
Mintesinot Dessalegn Dabaro,Richard Appiah-Ntiamoah,Meseret Ethiopia Guye,Hern Kim
出处
期刊:Journal of environmental chemical engineering [Elsevier BV]
卷期号:11 (6): 111496-111496
标识
DOI:10.1016/j.jece.2023.111496
摘要

The efficient reduction of 4-nitrophenol (4-NP) to 4-aminophenol (4-AP) using Co3O4 in NaBH4(aq) requires the precise control of hydride (Hδ-) and protic hydrogen (Hδ+) generation. Currently, this is achieved using (311) facet-dominated Co3O4 with Co2+-rich edges that favor Hδ- activation leading to poor performance. Herein, we employ the ladder-like structure of oxidized polyacrylonitrile (PAN) to fine-tune the growth of the (311)-to-(440) facets in layered Co3O4 nanosheets. This yields a balanced distribution of Co3+/Co2+ edge sites, leading to enhanced catalytic activity. Our catalyst is prepared by air-annealing a mixture of cobalt acetate (Co(OAc)2) and PAN at 500 oC. The mass ratio of Co(OAc)2 to PAN dictates the (311)/(440) facet ratio (i.e., Y). Specifically, a ratio of 0.25/0.4 (P-0.25-500) gives Y= 1.12. Meanwhile, at ratios of 0.05/0.4 (P-0.05-500) and 0.5/0.8 (P-0.5-500), Y increases to 1.25 and 1.27, respectively. XPS analysis confirms that the surface Co3+/Co2+ distribution (X) on P-0.25-50, P-0.05-500, and P-0.5-500 is 0.43, 0.41, and 0.39, respectively, highlighting a direct relationship between the (440) exposure and Co3+ concentration. The rate of 4-NP reduction (i.e., kapp) on P-0.25-500, i.e., ~2.84×10-2 s-1 is 3.1x and 3.6x faster than P-0.05-500 (~9.16×10-3 s-1) and P-0.5-500 (~7.81×10-3 s-1), respectively. P-0.25-50's performance is comparable to that of state-of-the-art noble metal catalysts and higher than commercial Co3O4, and it maintains a decent catalytic retention of 88.84% after six recycles, demonstrating high stability. Our research presents a simple yet highly effective method for achieving balanced Hδ+ and Hδ- activation edges in Co3O4, resulting in superior 4-NP reduction activity.
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