Reducing agents have been frequently utilized as electron donors for Fe(II) generation to resolve the sluggish Fe(III) reduction in Fenton-like reactions, while their irreversible consumption necessitates a robust catalytic system that utilizes green electron donors such as H₂O₂. In this study, we used annealed nanodiamonds (NDs) as a collection of model catalysts with different sp²/sp³ ratios to investigate the roles of the molecular structure in boosting the Fenton-like reactions. The annealed NDs acted as an electron mediator to transfer electrons from H₂O₂ to surface-adsorbed Fe(III) for Fe(II) generation as well as an electron donor for direct Fe(III) reduction, driving Fe(II)-catalyzed H₂O₂ decomposition to produce massive hydroxyl radicals, demonstrating potential in the real-water matrixes. Galvanic cell experiments show that the contribution ratio of mediation and electron donation is 2.75:1, indicating that the majority of Fe(II) was generated through electron transfer from H₂O₂. Additionally, different carbon configurations (sp–sp²–sp³ hybridizations) were compared to assess the molecular structure-performance relationships in Fe(III) reduction. This study unveils the distinct functions of carbon molecular structures in driving Fe(III)/Fe(II) circulation and provides insights into sustainable Fenton oxidation driven by metal-free catalysis.

中文翻译：

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纳米金刚石中分子杂交的性质促进 Fe（III）/Fe（II） 循环


还原剂经常被用作 Fe（II） 生成的电子供体，以解决 Fenton 类反应中缓慢的 Fe（III） 还原，而它们的不可逆消耗需要一个强大的催化系统，该系统利用绿色电子供体，如 H₂O₂。在本研究中，我们使用退火纳米金刚石 （NDs） 作为具有不同 sp²/sp³ 比例的模型催化剂集合，以研究分子结构在促进 Fenton 样反应中的作用。退火的 ND 充当电子介质，将电子从 H₂O₂ 转移到表面吸附的 Fe（III） 以生成 Fe（II），以及直接还原 Fe（III） 的电子供体，驱动 Fe（II） 催化的 H₂O₂ 分解产生大量羟基自由基，在实水基质中显示出潜力。原电池实验表明，介导和电子捐赠的贡献比为 2.75：1，表明大部分 Fe（II） 是通过 H₂O₂ 的电子转移产生的。此外，比较了不同的碳构型 （sp-sp^{2-sp 3} 杂交） 以评估 Fe（III） 还原中的分子结构-性能关系。本研究揭示了碳分子结构在驱动 Fe（III）/Fe（II） 循环中的独特功能，并为无金属催化驱动的可持续 Fenton 氧化提供了见解。