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Reactive Oxygen Species Regulation and Synergistic for Effective Water Purification through Fenton-like Catalysis on Single-Atom Cu-N Sites

https://doi.org/10.1039/D2TA00561A

Journal of Materials Chemistry A, 2022, DOI: 10.1039/D2TA00561A

简介：活性氧 (ROS) 的高效生产和协同效应在环境、化学和生物领域至关重要。学生产适用于多种场景，无需额外设备，但生成的活性氧效率低，选择性差。近日，团队的硕士研究生左诗语在Journal of Materials Chemistry A期刊上发表题为“Reactive oxygen species regulation and synergistic effect for effective water purification through Fenton-like catalysis on single-atom Cu–N sites”的研究文章。在这项研究中，展示了一种具有独特氧化态的单原子Cu-N结构，用于高效生产ROS 和协同净化水。Cu-SA/H₂O₂在弱酸性条件下的动力学反应速率是Fe²⁺/H2O2的1.23倍。通过实验和密度泛函理论 (DFT) 计算，Cu-N配位结构对H2O2、过二硫酸盐(PDS)和过一硫酸盐(PMS)表现出不同的吸附能，从而能够从不同的催化途径高选择性地产生不同的ROS。高效、差异化的ROS产生使Cu-SA可用于多种氧化剂的复配，从而实现ROS比例调节，从而协同高效去除污染物（COD去除率从36.8%提高到70.7%）。结果突出了单原子催化的高效ROS生产及其对包括环境修复在内的广泛潜在应用的协同效应。

Fig. 1. The charge density difference in (a) Cu-SA/H2O2, (b) Cu-SA/PDS and (c) Cu-SA/PMS; (d) the adsorption energy of H2O2, PDS and PMS on Cu-SA; (e) adsorption and activation of H2O2 on Cu-SA; (f) compound catalysis of multiple oxidants; (g) COD removal effect of sequential addition of the oxidant.

Fig. 2. (a) Established empirical kinetic model prediction value and experimental kinetic value; (b) treatment of actual wastewater; (c) pilot device and effect.

　　总之，制备了具有独特氧化态的单原子Cu-N结构，用于高效生产ROS和协同净化水。在弱酸性条件下，Cu-SA/H2O2的动力学反应速率达到Fe2+/H2O2的1.23倍。在中性和碱性条件下，Cu-SA/H2O2、Cu-SA/PDS和Cu-SA/PMS表现出优于Fe2+/H2O2的性能。实验结果表明，Cu-SA/H2O2生成·OH主导的自由基体系，而Cu-SA/PDS 和Cu-SA/PMS分别介导表面反应性配合物和1O2非自由基途径。通过DFT计算发现，Cu-N配体结构对H2O2、PDS和PMS表现出不同的吸附能，最终可能导致不同的催化途径选择性地生成·OH、*PDS和¹O₂。由于这种高效且差异化的ROS生成，Cu-SA可用于多种氧化剂的复配以实现ROS比例调节，从而利用多种ROS协同去除污染物（COD去除率从36.8%提高到70.7%）。此外，还开发了经验动力学模型评估，并使用中试装置验证了Cu-SA在水净化中的实际应用。这项研究的结果突出了单原子催化高效生产ROS及其在包括环境修复在内的协同效应方面的广泛潜在应用。