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单原子M-N4和M-OH(M=Mn、Fe、Co、Ni)位点协同操控臭氧活化机制:理论预测与实验验证
Environmental Science & Technology ( IF 10.8 ) Pub Date : 2024-05-15 , DOI: 10.1021/acs.est.4c00812
Guangfei Yu 1, 2, 3 , Jing Wang 1, 2 , Zhaomeng Xu 1, 2 , Hongbin Cao 1, 2 , Qin Dai 3 , Yiqiu Wu 1, 2 , Yongbing Xie 1, 2
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碳基单原子催化剂(SACs)已逐渐被引入多相催化臭氧化(HCO)领域,但催化剂表面O 3活化的界面机制仍不明确,特别是表面羟基(M–OH)的作用)在金属部位。在此,我们将理论计算与实验验证相结合,全面研究了一系列具有N掺杂纳米碳基底(MN 4 –NCs,其中M = Mn、Fe、Co、Ni)的常规SAC结构上的O 3活化机制。金属原子和M-OH对O 3活化途径的协同操纵效应受到特别关注。 O 3倾向于直接与MnN 4 –NC、FeN 4 –NC和NiN 4 –NC催化剂上的金属原子相互作用,其中MnN 4 –NC因其相对较低的O 3活化能垒而具有最好的催化活性( 0.62 eV)和更活跃的表面吸附氧(O ads )。在CoN 4 –NC催化剂上,O 3与金属位点的直接相互作用在能量上是不可行的,但是O 3可以通过M-OH位点的直接或间接参与被活化以生成O ad或HO 2物种。实验结果表明,MnN 4 -NC和CoN 4 -NC催化剂催化臭氧氧化对羟基苯甲酸时,40 min内分别去除了90.7%和82.3%的总有机碳(TOC)。磷酸盐淬灭、催化剂表征和 EPR 测量进一步支持了理论预测。 这一贡献为SACs上O 3活化机制提供了基础见解,其方法和理念可能有助于未来的环境催化研究。

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