分享

文献速递|CEJ:调节原子分散钴的微环境,实现破纪录的矿化和 100% 清除有机污染物的效果

 江西拟态王格 2024-05-13 发布于江西
图片

图片

第一作者:Xue Zhao, Liangfei Duan, Mengshan Chen

通讯作者:Xue Zhao

通讯单位:云南师范大学化学与化学工程学院

DOI:10.1016/j.cej.2024.149928









全文速览

基于过一硫酸盐(PMS)的高级氧化工艺(AOPs)可以为消除持久性有机污染物(POPs)提供强活性氧(ROS),但关键在于输入高活性的环境友好型催化剂。在这里,利用库仑相互作用将封闭钴原位沉积在天然矿物埃洛石纳米管上,进一步实现了在具有大比表面积的掺氮中空碳纳米管中引入原子分散的钴位点。所构建的 CoNC/NHCNTs-900 材料能有效活化 PMS,使四环素探针污染物的去除率接近 100%,矿化率达到创纪录的 89.07%。结合密度泛函理论计算证明,石墨氮的富集有利于调节Co的微环境,促进PMS的吸附和活化。对 ROS 的形成和四环素矿化机理的深入跟踪证明,CoNC/NHCNTs-900 驱动的 AOPs 将持久性有机污染物降解为低毒物种具有可靠性和实用性。








图文摘要

图片







引言

在这里,我们通过库仑相互作用将 1,10-菲罗啉和 Co2+ 形成的复合物吸附在哈洛来石纳米管表面。热处理后,埃洛石纳米管被去除,原子分散的钴物种被有效地负载在掺氮空心碳纳米管(CoCN/NHCNTs-900)上。CoCN/NHCNTs-900能有效激活过氧单硫酸盐转化为ROS(如-OH、SO4--和1O2),实现对四环素(TC)有机污染物的高效降解。CoCN/NHCNTs-900 驱动的 AOPs 可在 10 分钟内降解约 90% 的 TC,30 分钟内降解率接近 100%,矿化率高达 89.07%。详细研究了 CoCN/NHCNTs-900 中单个原子 Co 的配位环境对其催化活性的影响,并通过密度泛函理论计算揭示了 CoCN/NHCNTs-900 高催化活性的本质。通过实验结合理论模拟,深入阐述了 TC 污染物的演化路径,达到了将有毒持久性有机污染物转化为低毒产品的目的。






图文导读

图片

Fig. 1A schematic diagram of constructing CoCN/NHCNT by combining complexation confinement and spatial confinement.

图片

Fig. 2(a) SEM image of CoCN/NHCNTs-600, (b) SEM image of CoCN/NHCNTs-750, (c) SEM image of CoCN/NHCNTs-900; (d,f) AC-STEM image of CoCN/NHCNTs-900; (e) Element mapping of CoCN/NHCNTs-900.

图片

Fig. 3(a) XRD signals of CoCN/NHCNTs-600, CoCN/NHCNTs-600, CoCN/NHCNTs-600; (b) The hysteresis loops of CoNPs/CN, CoCN/NHCNTs-600, CoCN/NHCNTs-600, and CoCN/NHCNTs-600; (c) High-resolution XPS signals of Co elements in CoCN/NHCNTs-600, CoCN/NHCNTs-600, and CoCN/NHCNTs-600; (d) High-resolution XPS signals of N elements in CoCN/NHCNTs-600, CoCN/NHCNTs-600, and CoCN/NHCNTs-600; (e) The raio of different N species; (f) XANES of Co-foil, CoO, and CoCN/NHCNTs-900; (g) EXAFS of Co-foil, CoO, CoPc, and CoCN/NHCNTs-900; (h) The two-dimensional color block diagram of EXAFS signal obtained by wavelet transform.

图片

Fig. 4(a) The removal rate-time curves of CoNC/NHCNTs-600, CoNC/NHCNTs-750, and CoNC/NHCNTs-900 degraded TC; (b) The effect of the dosage of CoNC/NHCNTs-900 on the degradation of TC was changed; (c) The effect of the dosage of PMS on the degradation of TC was changed; (d-e) The relationship between ln(Ct/C0) and time; (g) The removal of TC by adding only PMS and adding PMS first and then adding CoNC/NHCNTs-900; (h) The changes of current signals when PMS was added to the electrolyte with carbon paper and CoNC/NHCNTs-900 as working electrodes, respectively; (i) The removal rate of total organic carbon after TC degradation by CoNC/NHCNTs-900 activated PMS for 30 min. Generally, PMS dosage is 30 mg, TC concentration is 20 mg/L, solution volume is 100 mL, pH value is 7.0, and catalyst dosage is 20 mg.

图片

Fig. 5(a) The effect of solution pH on the degradation of TC by CoNC/NHCNTs-900 activated PMS; (b) The performance of CoNC/NHCNTs-900 activated PMS for the degradation of 4-NP, BPA, MO and RhB, respectively; (c) The effect of coexisting ions in the solution on the degradation of TC by CoNC/NHCNTs-900 activated PMS; (d) The performance of TC degradation by CoNC/NHCNTs-900 in the case of repeated use. Generally, PMS dosage is 30 mg, solution volume is 100 mL, pH value is 7.0, and catalyst dosage is 20 mg.

图片

Fig. 6(a) The effect of light on the degradation of TC by CoNC/NHCNTs-900; (b) The degradation performance of TC by CoNC/NHCNTs-900, CoNPs and CoPc; (c) Electrochemical impedance spectroscopy of CoNC/NHCNTs-900 and CoPc; (d) The temperature-programmed adsorption/desorption curves of CoNC/NHCNTs-900 and CoNPs/CN for nitrogen. Where, PMS dosage is 30 mg, solution volume is 100 mL, pH value is 7.0, and catalyst dosage is 20 mg.








研究意义

通过库仑引力,1,10-菲罗啉络合的Co2+在结晶阶段原位沉积在HNT表面,建立了络合约束和空间约束(由HNT构建)的双重隔离效应,保证了单原子Co位点在掺氮空心碳纳米管中的有效形成。热解温度的不同造成了单原子 Co 配位环境的不同,高温有利于石墨 N 的富集,从而有效促进了 PMS 的吸附和活化以降解 TC。所构建的 CoNC/NHCNTs-900 催化剂能将 PMS 高效活化为 -OH、SO4-和 1O2,实现了近 100% 的 TC 降解和超高矿化率记录。TC的高效降解得益于ROS的高效形成,而高矿化率则与各种ROS对TC的多位点攻击密不可分。DFT 计算验证了碳载体中石墨氮的富集可以加速 PMS 的吸附,促进电子在 Co 位点的保留,从而高效活化 PMS 产生 ROS。对 ROS 形成和 TC 降解机理的深入探讨证明了掺氮碳基质中的单原子 Co 驱动 PMS 将 TC 转化为低毒物种的可靠性和参考意义。
文献信息

Xue Zhao, Liangfei Duan, Mengshan Chen, Peizhi Yang, Qian Liu, Yuelong Liu, Haoran Zhang, Zhuang He, Guangzhi Hu, Yingtang Zhou, Regulating the microenvironment of atomically dispersed cobalt to achieve the record-breaking mineralization and 100% removal of organic pollutant, Chemical Engineering Journal, 2024, https:///10.1016/j.cej.2024.149928


图片

声明:本公众号仅分享前沿学术成果,无商业用途。如涉及侵权,请立刻联系公众号后台或发送邮件,我们将及时修改或删除!

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多