Modulating Electronic Structure Engineering of Atomically Dispersed Cobalt Catalyst in Fenton-like Reaction for Efficient Degradation of Organic Pollutants

催化作用 污染物 化学 降级(电信) 环境化学 化学工程 材料科学 无机化学 有机化学 计算机科学 电信 工程类
作者
Bingkun Huang,Xinyi Ren,Jian Zhao,Zelin Wu,Xinhao Wang,Xinyu Song,Xuning Li,Bin Liu,Zhaokun Xiong,Bo Lai
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (37): 14071-14081 被引量:148
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c04712
摘要

Currently, the lack of model catalysts limits the understanding of the catalytic essence. Herein, we report the functional group modification of model single atom catalysts (SACs) with an accurately regulated electronic structure for accelerating the sluggish kinetics of the Fenton-like reaction. The amino-modified cobalt phthalocyanine anchored on graphene (CoPc/G-NH2) shows superior catalytic performance in the peroxymonosulfate (PMS) based Fenton-like reaction with Co mass-normalized pseudo-first-order reaction rate constants (kobs, 0.2935 min-1), which is increased by 4 and 163 times compared to those of CoPc/G (0.0737 min-1) and Co3O4/G (0.0018 min-1). Density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the modification of the -NH2 group narrows the gap between the d-band center and the Fermi level of a single Co atom, which strengthens the charge transfer rate at the reaction interface and reduces the free energy barrier for the activation of PMS. Moreover, the scale-up experiment realizes 100% phenol removal at 7200-bed volumes during 240 h continuous operation without obvious decline in catalytic performance. This work provides in-depth insight into the catalytic mechanism of Fenton-like reactions and demonstrates the electronic engineering of SACs as an effective strategy for improving the Fenton-like activity to achieve the goal of practical application.
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