Forskere undersøger, hvordan enkeltatom-katalysatorer påvirker vandrensning i avanceret oxidationsproces

Den hurtige stigning i den globale industrialisering i de seneste århundreder har resulteret i bortskaffelse af overdreven giftige forurenende stoffer i miljøet, hvilket alvorligt truer det akvatiske økosystem og menneskers sundhed. Peroxymonosulfat-baserede avancerede oxidationsprocesser (PMS-AOP'er) er tiltalende teknikker til at behandle disse giftige forurenende stoffer.

Ved at udnytte forskellige reaktive oxygenarter (ROS) søges AOP'er for at oxidere eller endda mineralisere genstridige og giftige organiske forurenende stoffer. Single-atom katalysatorer (SAC'er) er udstyret med maksimeret atomudnyttelse samt ensartede og veldefinerede aktive steder, hvilket giver et stort løfte om effektiv og selektiv PMS-aktivering. Struktur-aktivitet/selektivitet-relationerne er dog endnu ikke blevet godt afsløret på grund af flere ROS-genereringsveje og deres komplekse samspil.

For nylig har et forskerhold ledet af Prof. Shaobin Wang fra University of Adelaide, Australien og Prof. Hui Zhang fra Wuhan University, Kina, belyst mekanismerne for PMS-aktivering af enkeltatomede jernkatalysatorer og identificeret sammenhængene mellem de geometriske og elektroniske strukturer af enkeltatomer Fe-centre til selektiv produktion af forskellige reaktive arter/veje. Resultaterne blev offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Aktiveringen af ​​PMS ved enkeltatomsteder forløber normalt via tre trin. Det første trin er adsorptionen af ​​HSO₅ ^– på det enkelte atom Fe-center med varierende molekylære justeringer. Det andet trin er ladningsoverførslen mellem det aktive Fe-center og adsorberet HSO₅ ^– , hvilket resulterer i ændring af ladningstæthed og jævn spaltning af O-O-binding af HSO₅ ^– . Det tredje trin er løsrivelsen af ​​den aktiverede HSO₅ ^– gennem en spontan frigivelse af de reaktive arter (såsom frie radikaler og ¹ O₂ ) eller nedbrydning af de overfladebundne arter med andre substrater (såsom katalysator-PMS* og Fe ^IV =O) for at genskabe det aktive websted.

På grund af kompleksiteten af ​​PMS-aktivering med flere trin og ROS-generering med flere reaktionsmellemprodukter, produceres forskellige ROS selv på et enkelt atomært Fe-sted. Mens teoretiske værktøjer effektivt kan bestemme den energetisk optimale PMS-adsorptionsstruktur, kræver den ultimative generering af specifik ROS moderat reaktionsfri energi i hvert reaktionstrin. Derfor kræver styringen af ​​ROS-selektivitet styring af både PMS-adsorptionsenergi og den reaktionsfrie energi af afgørende elementære trin.

I denne sammenhæng er regulering af den elektroniske struktur af det aktive sted en effektiv måde at styre PMS-aktiveringsaktivitet og ROS-selektivitet til at etablere relationerne på. Dette involverer en moderat forøgelse af ladningstætheden af ​​Fe-steder ved at konstruere Fe-N₂ –O₂ og Fe–N₅ websteder for at forbedre ¹ O₂ og Fe ^IV =O generation, samt en Fe–N₃ site for katalysator-PMS* kompleksgenerering. Yderligere forhøjelse af ladningstætheden med Fe–N₃ –P₁ og Fe–N₄ (pyrrolisk N)-steder favoriserer radikalgenerering.

Flere oplysninger: Cheng Cheng et al., Single-atom jernkatalysatorer til peroxymonosulfat-baserede avancerede oxidationsprocesser:Koordinationsstruktur versus reaktive arter, Chinese Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64611-X

Leveret af Chinese Academy of Sciences