Precise coordination of high-loading Fe single atoms with sulfur boosts selective generation of nonradicals

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作者
Xunheng Jiang,Binghui Zhou,Weijie Yang,Jiayi Chen,Miao Chen,Zhongyuan Guo,Hao Li,Yang Hou,Xinhua Xu,Lizhong Zhu,Daohui Lin,Jiang Xu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (4) 被引量:51
标识
DOI:10.1073/pnas.2309102121
摘要

Nonradicals are effective in selectively degrading electron-rich organic contaminants, which unfortunately suffer from unsatisfactory yield and uncontrollable composition due to the competitive generation of radicals. Herein, we precisely construct a local microenvironment of the carbon nitride–supported high-loading (~9 wt.%) Fe single-atom catalyst (Fe SAC) with sulfur via a facile supermolecular self-assembly strategy. Short-distance S coordination boosts the peroxymonosulfate (PMS) activation and selectively generates high-valent iron–oxo species (Fe IV =O) along with singlet oxygen ( 1 O 2 ), significantly increasing the 1 O 2 yield, PMS utilization, and p -chlorophenol reactivity by 6.0, 3.0, and 8.4 times, respectively. The composition of nonradicals is controllable by simply changing the S content. In contrast, long-distance S coordination generates both radicals and nonradicals, and could not promote reactivity. Experimental and theoretical analyses suggest that the short-distance S upshifts the d -band center of the Fe atom, i.e., being close to the Fermi level, which changes the binding mode between the Fe atom and O site of PMS to selectively generate 1 O 2 and Fe IV =O with a high yield. The short-distance S-coordinated Fe SAC exhibits excellent application potential in various water matrices. These findings can guide the rational design of robust SACs toward a selective and controllable generation of nonradicals with high yield and PMS utilization.
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