AFM: 岛状单原子Co催化剂调控电荷捕获以增强类光Fenton反应

近年来，高级氧化法(AOPs)被认为是处理抗生素废水的有前途的技术。其中，通过催化活化过一硫酸盐(PMS)产生高活性氧物种(ROS)的类芬顿反应，是消除废水中抗生素污染物的新方法。在过去的几十年中，人们已经进行了许多关于开发有效的PMS活化光催化剂的研究，如金属氧化物，金属硫化物和碳氮化物。

然而，对于单组分光催化剂来说，由于光生电子-空穴对的快速复合以及光吸收性能差导致光催化活性低，极大地限制了其实际应用。

基于此，阿德莱德大学段晓光和浙江师范大学吴西林等构建了富氮碳(SA-Co-CN)和石墨氮化碳(g-C₃N₄)负载的单原子Co异质结(SA-Co-CN/g-C₃N₄)，并将其用作活化过一硫酸盐(PMS)的非均相催化剂。

研究人员首先进行了密度泛函理论(DFT)计算，以揭示面内异质结构的电子结构和电子转移行为。结果表明，SA-Co-CN/g-C₃N₄的总态密度(TDOS)表现出更窄的带隙，这促进了能级之间的电子跃迁；SA-Co-CN和g-C₃N₄之间的电子轨道的强杂化，这意味着电荷转移很容易进行。

此外，SA-Co-CN/g-C₃N₄的电子和空穴主要分布在C原子和N原子上，表明电荷载流子在SA-Co-CN/g-C₃N₄中更加离域化。更重要的是，电子和空穴倾向于分别积累在SA-Co-CN和g-C₃N₄中，这表明SA-Co-CN和g-C₃N₄的异质结之间的有效电荷分离。因此，异质结构中有效的电荷离域和分离必将提高SA-Co-CN/g-C₃N₄的光催化性能。

因此，以诺氟沙星(NOR)为模型抗生素，SA-Co-CN/g-C₃N₄/PMS系统在紫外光下对NOR的去除率达到100%，而在g-C₃N₄/PMS系统中，只有11.7%的NOR被去除。此外，在NOR降解过程中约81.6%的总有机碳(TOC)被去除，这意味着SA-Co-CN/g-C₃N₄介导的光-Fenton系统的高矿化能力。

同时，在紫外光下，SA-Co-CN/g-C₃N₄/PMS系统的动力学速率常数(K_obs) (0.2601 min⁻¹)比上述单个系统大约20倍，表明SA-Co-CN/g-C₃N₄异质结在可见光照射下协同增强PMS活化。总的来说，这项研究为合理设计基于SACs的异质结提供了一个新的策略，以通过界面偶联获得优越的光氧化还原活性。

Modulation of Charge Trapping by Island-like Single-Atom Cobalt Catalyst for Enhanced Photo-Fenton-Like Reaction. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202208688

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