文献信息：
Tailored d-Band Facilitating in Fe Gradient Doping CuO Boosts Peroxymonosulfate Activation for High Efficiency Generation and Release of Singlet Oxygen
https://doi.org/10.1021/acsami.1c15061
ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 42, 49982–49992
简介：在多相催化领域，表面反应过程的局限性不可避免地使提高催化效率以去除水中的污染物成为主要挑战。近日，团队的硕士研究生左诗语在ACS Appl. Mater. Interfaces期刊上发表题为“Tailored d-Band Facilitating in Fe Gradient Doping CuO Boosts Peroxymonosulfate Activation for High Efficiency Generation and Release of Singlet Oxygen”的研究文章。研究报告了 Fe 表面梯度掺杂的 CuO 的独特结构，它改善了吸附、电子转移和解吸的整体催化过程。有趣的是，梯度掺杂导致晶体结构中的电荷分布不平衡，从而促进过一硫酸盐（PMS）的吸附和电子传输效率。 Fe的轨道杂化也提高了电子活性。更重要的是，占据的 d 轨道分布更接近于较低的能级，这改善了反应中间体 (1O2) 的解吸。结果，改善了 1O2 的生成和解吸，产生了优异的 BPA 降解能力（动力学速率提高了 67.3 倍）。二维红外相关光谱用于更好地了解Fe-CuO的掺杂过程和催化机理。 Fe-O 在 Cu-O 之前发生变化并且更活跃。 Fe 所需的活性位点、活性物质强度和动力学反应速率显示出良好的相关性。该研究为扩大多相催化氧化对复杂水环境中有毒有机污染物的净化提供科学依据。
Figure 1. (a–c) High-resolution XPS spectra of CuO and Fe-CuO-3. (d) CV curves of CuO and Fe-CuO-3. (e) EIS spectra of CuO and Fe-CuO-3. (f) Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) spectra of CuO and Fe-CuO-3. (g) Differential charge density image of Fe-CuO. (h) Density of states of Fe-CuO. (i) Density of states of Cu 3d.
Figure 2. (a) Degradation of BPA in the PMS, PMS/CuO, and PMS/Fe-CuO-3. [PMS]0 = 200 mg/L, [catalyst]0 = 1.0 g/L, [BPA]0 = 10 mg/L, [T]0 = 25 °C and pH = 6.5. (b) DMPO and TEMPO of PMS/Fe-CuO-3. (c) Inhibitor in PMS/Fe-CuO-3. Correlation analysis: (d) kinetic rate and Fe content, (e) intensity of 1O2 and Fe content, and (f) kinetic rate and intensity of 1O2.
总体而言，Fe表面梯度掺杂CuO的独特结构改善了吸附、电子转移和解吸的整体催化过程，使其成为一种高性能的PMS催化剂。这样，具有正电位的 Fe 很容易与 HSO5- 结合，局部极化的内建电场提高了电子传输效率。 Fe的轨道杂化产生了一个穿过费米能级的新轨道，这进一步提高了金属丰度和电子活性。更重要的是，占据的d-轨道分布更接近于较低的能级，从而改善了反应中间体（1O2）的解吸，从而增强了溶液中1O2与BPA的反应，获得了均相催化的特性。此外，通过 2D-FTIR-COS 和 DFT 分析，我们展示了 Fe 掺杂 CuO 工艺和催化机理的更多细节。 Fe所需的活性位点、活性物质强度和动力学反应速率显示出良好的相关性。此外，该体系在较宽的 pH 值范围（3-11）下表现出优异的催化性能，并呈现出均相催化的一些特征。本研究提出的动力学模型可能有助于预测 Fe-CuO/PMS 组合物水处理过程中污染物的降解效率。本工作提出的电子转移行为和活性中间体优化策略可为扩大多相催化氧化对复杂水环境中有毒有机污染物的净化提供科学依据。
