Wetenschap
Wetenschappers onderzoeken hoe katalysatoren met één atoom de waterzuivering beïnvloeden in een geavanceerd oxidatieproces
De snelle toename van de mondiale industrialisatie in de afgelopen eeuwen heeft geresulteerd in de lozing van buitensporige giftige verontreinigende stoffen in het milieu, waardoor het aquatische ecosysteem en de menselijke gezondheid ernstig worden bedreigd. Op peroxymonosulfaat gebaseerde geavanceerde oxidatieprocessen (PMS-AOP's) zijn aantrekkelijke technieken om deze giftige verontreinigende stoffen te behandelen.
Door gebruik te maken van diverse reactieve zuurstofsoorten (ROS) wordt ernaar gestreefd recalcitrante en giftige organische verontreinigende stoffen te oxideren of zelfs te mineraliseren. Katalysatoren met één atoom (SAC's) worden gekenmerkt door een maximaal atoomgebruik en uniforme en goed gedefinieerde actieve sites, wat een grote belofte inhoudt voor effectieve en selectieve PMS-activering. De structuur-activiteit/selectiviteitsrelaties zijn echter nog niet goed onthuld vanwege meerdere ROS-generatieroutes en hun complexe wisselwerking.
Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Shaobin Wang van de Universiteit van Adelaide, Australië, en prof. Hui Zhang van de Wuhan Universiteit, China, de mechanismen van PMS-activering door ijzerkatalysatoren met één atoom opgehelderd en de relaties tussen de geometrische vormen geïdentificeerd. en elektronische structuren van Fe-centra met één atoom tot selectieve productie van verschillende reactieve soorten/routes. De resultaten zijn gepubliceerd in Chinese Journal of Catalysis .
De activering van PMS door sites met één atoom verloopt gewoonlijk via drie stappen. De eerste stap is de adsorptie van HSO5 – op het Fe-centrum met één atoom met verschillende moleculaire uitlijningen. De tweede stap is de ladingsoverdracht tussen het actieve Fe-centrum en geadsorbeerd HSO5 – , resulterend in de verandering van de ladingsdichtheid en zelfs splitsing van de O-O-binding van HSO5 – . De derde stap is het losmaken van de geactiveerde HSO5 – door een spontane afgifte van de reactieve soorten (zoals vrije radicalen en 1 O2 ) of afbraak van de oppervlaktegebonden soorten met andere substraten (zoals katalysator-PMS* en Fe IV =O) om de actieve site te regenereren.
Vanwege de complexiteit van PMS-activering met meerdere stappen en ROS-generatie met meerdere reactietussenproducten, worden er zelfs op een enkelvoudige atomaire Fe-plaats diverse ROS geproduceerd. Hoewel theoretische hulpmiddelen efficiënt de energetisch optimale PMS-adsorptiestructuur kunnen bepalen, vereist de ultieme generatie van specifieke ROS een gematigde reactievrije energie in elke reactiestap. Daarom vereist de controle van de ROS-selectiviteit het beheer van zowel de PMS-adsorptie-energie als de reactievrije energie van cruciale elementaire stappen.
In deze context is het reguleren van de elektronische structuur van de actieve site een effectieve manier om PMS-activeringsactiviteit en ROS-selectiviteit voor het tot stand brengen van de relaties te beheersen. Dit impliceert een gematigde toename van de ladingsdichtheid van Fe-locaties door de constructie van Fe–N2 –O2 en Fe–N5 sites om 1 te verbeteren O2 en Fe IV =O generatie, evenals een Fe–N3 locatie voor het genereren van katalysator-PMS*-complexen. Verdere verhoging van de ladingsdichtheid met Fe–N3 –P1 en Fe–N4 (pyrrolische N)-sites bevorderen het genereren van radicalen.