Small:单原子Fe催化剂,活化过氧单硫酸盐高效降解与杀菌

研究背景:

病原体、重金属和有机物对环境的污染严重危害着生态环境和人类健康。然而,传统的水处理技术(氯化、臭氧氧化、紫外线辐射等)存在许多缺点,如效率不足、副产物有毒、能耗高、病原体复活等。因此急需开发针对含有机污染物和病菌废水的简单、高效、环保的处理技术。基于活化过氧单硫酸盐(PMS)的高级氧化法(AOPs)具有一系列优势,如产生的自由基氧化还原电位更高、半衰期相对更长、pH范围宽、选择性高等,因此被认为对去除难降解有机化合物更有效。过渡金属单原子催化剂具有明确配位环境和高原子利用率,已成为研究氢化、氧还原、二氧化碳转化等多种催化反应的新前沿。但目前关于单原子Fe原子催化剂在废水处理领域应用的报道还很少,单原子催化剂活化PMS在杀菌方面的应用之前也未见报道。

文章概述:

为解决以上难题,吉林大学刘镇宁孙航教授课题组通过一种“络合固定法”,将Fe原子固定在氮掺杂多孔碳基底上,所制备出的单原子Fe催化剂(Fe SA/NPCs)可作为一种高效且可重复使用的类Fenton催化体系,其在活化过氧单硫酸盐(PMS)催化降解有机污染物和灭活细菌方面均表现出优异的性能。在降解方面,仅需30s即可完全降解25 ppm的RhB,对难降解有机物双酚A和环丙沙星也可达到6 min内100%和10 min内94.2%的高降解率。在杀菌方面,5 min内即可完全灭活高浓度的大肠杆菌(108 CFU/mL),其速率及效果都远远超过传统的类芬顿杀菌体系,这也是单原子催化剂在杀菌领域的首次应用。

图文速览:

【图1】Fe SA/NPCs催化剂的制备流程示意图。

【图2】Fe SA/NPCs催化剂的电子结构分析与配位构型。

作者根据自由基淬灭和EPR试验、DFT计算提出了可能的机理:Fe SA/NPCs催化剂中的单原子Fe-N4位点即活化PMS的位点,可产生大量活性氧自由基(ROS,其中起主要作用的是1O2)。同时,催化剂表面的吡咯N与RhB之间结合能最强,因此吡咯N作为催化剂的有机污染物吸附位点。此外,大肠杆菌是一种典型的革兰氏阴性菌,其细菌膜带负电,所以能与催化剂中带正电的Fe原子静电吸附,所以在催化降解和杀菌反应中,该单原子催化剂使得ROSs到有机物和细菌的迁移距离都大大缩小,从而极大增强了催化性能。

【图3】不同反应体系与反应条件下的RhB吸附与降解性能。与对照组相比,单原子催化剂Fe SA/NPCs对RhB的降解活性提高了28-371倍。另外,自由基淬灭和EPR捕获试验证明了活性氧(ROS)在反应中的重要作用(主要是1O2)。

【图4】Fe SA/NPCs催化剂的N 1s XPS图谱,观察到RhB的吸附效率趋势大致和催化剂中吡咯N的含量呈正相关,表明吡咯N可能作为RhB的吸附位点。同时,再生循环试验表明,该单原子催化剂仅需简单的热解处理即可再生催化活性。

【图5】密度泛函理论计算。DFT计算表明:吡咯N与RhB之间结合能最强,因此作为催化剂表面的有机污染物吸附位点。Fe-N4位点与PMS间处于最佳的中间结合能,符合Sabatier理论,所以其为PMS的最佳活化位点。

【图6】Fe SA/NPCs + PMS类Fenton体系催化降解与杀菌的机理图。

论文第一作者为吉林大学工程仿生教育部重点实验室硕士研究生杨利雪,论文通讯作者为吉林大学工程仿生教育部重点实验室刘镇宁教授、孙航教授。该研究得到了国家自然科学基金和吉林省科技发展计划等资助。

Fe Single-Atom Catalyst for Efficient and Rapid Fenton-Like Degradation of Organics and Disinfection against Bacteria

Lixue Yang, Haoqi Yang, Shengyan Yin, Xiuyan Wang, Mingwei Xu, Guolong Lu, Zhenning Liu*, Hang Sun*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104941.

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104941