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华北电力大学汪黎东团队AFM:氧桥联Co-Cu双原子催化剂协同触发界面质子耦合电子转移(PCET)——一种可持续去污的新方法

环境人Environmentor  · 公众号  ·  · 2025-02-11 12:41

正文

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第一作者: 代琴

通讯作者: 汪黎东

通讯单位: 华北电力大学

论文 DOI 10.1002/adfm.202423509



图文摘要


成果简介

近日,华北电力大学汪黎东教授团队在国际知名学术期刊 Advanced Functional Materials 上发表了题为 O-bridged Co-Cu Dual-atom Catalyst Synergistically Triggers Interfacial Proton-coupled Electron Transfer: A New Approach to Sustainable Decontamination 的研究论文。针对碳捕集过程中胺液吸收剂的广泛使用而导致的有机废胺治理难题,本文设计了一种杂原子桥联的双原子催化剂( DACs ),其具有灵活的活性位点和金属原子间强的相互作用,为高效降解有机废胺提供了新的思路。具体而言,通过简单的两步法制备了一种新型纳米氧化铝负载的氧桥联 Co-Cu 双原子催化剂( CoOCu-DAC )。与 Co 单原子催化剂( Co-SAC )和块体金属催化剂相比,该催化剂对代表性有机废胺,单乙醇胺( MEA p K a =9.5 )的去除动力学和过一硫酸盐( PMS )利用效率提升了 1-3 个数量级,且性能显著优于已报道的大多数同类体系。通过原位 ATR-FTIR 和理论计算等研究发现, Cu 的二次引入具有多重关键作用:首先, Cu 引入激活了与 Cu Co 连接的晶格氧,使得富电子的晶格氧通过亲核攻击触发了 MEAH + 的关键质子转移( PT );随后, Cu 吸附去质子化的 MEA 并将其活化为高效的电子供体,通过增强的 Cu-O-Co 轨道重叠加速 MEA 的电子从 Cu Co O v 位点的转移;最后,在 Co O v 位点处吸附的 O PMS 捕获转移的电子演变生成各种自由基和非自由基协同攻击界面 MEA ,从而实现了污染物去除效率和 PMS 利用率的双重提升。这种由 CoOCu-DAC 介导的逐步质子耦合电子转移( PCET )强化的催化路径,与 Co-SAC 介导的传统类芬顿机制显著不同。建立的二元定量构效关系( QSAR )进一步证实了 PCET 增强策略对多种有机废胺的普适性。本研究不仅为碳捕集过程中废胺的高效、低成本治理提供重要的理论与技术参考,也为水体难降解含氮有机污染物的可持续治理提供了新视角



图文导读

Figure 1 a) Aberration-corrected HAADF-STEM image of CoOCu-DAC (Inset is the intensity profile of the yellow-circled area). b) Elemental mapping for CoOCu-DAC. c, f and i) XANES spectra, d, g and j) experimental metal K-edge FT-EXAFS spectra. e, h and k) wavelet transforms spectra. l) 27 Al MAS NMR spectra. m) Relative formation energy of Cu at possible four substitution positions near to Co 4c Ov sites on the dominated (110) facet of γ -Al 2 O 3 .


Figure 2. a) MEA degradation curves, b) mass activity, c) PMS decomposition curves, and d) PUE values over CoOCu-DAC and two control materials. (Experimental conditions: [MEA] = 50 mg L –1 , [cat.] = 0.6 g L –1 , [PMS] = 5.88 mM). e) Comparison of MEA abatement performance with reported works. f) Comparison of PUE values. g) Radar diagram of the physiochemical properties (pore volume, pore size, SSA, Co.wt%, Cu wt.%, Al wt.%, Ov and Co-O-Cu structure) and catalytic performances of catalyst. The error bar refers to the standard deviation, calculated at a sample size of 3.


Figure 3. a-b) MEA degradation curves in the presence of different quenchers. c) The effect of MEA on radicals formation. d) The effect of MEA on 1 O 2 production. e) MEA degradation under the N 2 , O 2 and air (normal) environments. f) Effect of MEA on PMS decomposition. g) In-situ solid ESR spectra of CoOCu-DAC after reaction in different suspensions. XPS spectra of (h-i) CoOCu-DAC and (j) Co-SAC before and after reaction. (Experimental conditions: [MEA] = 50 mg L –1 , [cat.] = 0.5 g L –1 , [PMS] = 4.47 mM). The error bar refers to the standard deviation, calculated at a sample size of 3 .


Figure 4. a) In-situ ATR-FTIR during MEA reaction in CoOCu-DAC/PMS system. b) In-situ ATR-FTIR during MEA adsorption. c) Charge density differences for CoOCu-DAC and Co-SAC. (ISO value = 0.005 and the yellow and cyan areas depict charge accumulation and depletion, respectively). d) PDOS profiles. e) Relative energy of protonated MEAH + on two substrates. f) Charge density difference in optimized configurations of catalysts/MEA systems (the number of charge transfers from MEA to catalyst are indicated on the configurations). g) Structure and electron distribution of Co 4c Ov site with/without MEA adsorption. h) The effect of MEA on O 2 adsorption and activation (ISO value = 0.01). i) Mechanism in two Fenton-like systems.

Figure 5. a) k obs of different NOCs over CoOCu-DAC. b) Correlation between p K a , EHOMO and k obs of NOCs in CoOCu-DAC/PMS system. c) Effect of anions, cations, HA and initial pH values. d) Leaching concentrations of Cu and Co during reaction. (Experimental conditions: [MEA/pollutant] = 50 mg L –1 , [cat.] = 0.5 g L –1 , [PMS] = 4.47 mM). e) Photographs of the operation of the experiment in a microreactor. f) Efficiency of the continuous flow catalytic process for removing MEA over a 420 min period. g) The oxidation products of MEA detected in the continuous experiment. h) Acute and chronic toxicity assessments of MEA and intermediates. The error bar refers to the standard deviation, calculated at a sample size of 3.

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作者简介

第一作者:代琴 ,华北电力大学,讲师,现主要从事高级氧化和 VOCs 治理相关的工作。近 5 年来依托本人主持的国家自然科学基金青年科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金面上项目等项目 ,在 Adv. Funct. Mater. Environ. Sci. Technol. Water Res. Green Chem. Appl. Catal. B Chem. Commun. Chem. Eng. J . 等高水平国际期刊上发表 SCI 论文 20 余篇,其中一作 / 独立通讯文章 14 篇,期刊封面 / 封底 4 篇;申请并授权国内外发明专利共计 8 项(含 2 项美国国际专利),专利授权率为 100% 。担任环境领域著名期刊 Water Res. J. CO2 Util. Gas Sci.& Eng. 、环境工程学报等期刊的审稿人。

通讯作者:汪黎东, 华北电力大学环境科学与工程学院院长,教授、国家杰青。主要从事大气污染控制领域的教学和科研工作,兼任科技部重点研发计划“煤炭清洁高效利用技术”重点专项总体专家组专家,曾获北京市教育教学成果二等奖,作为负责人获批河北省首批黄大年团队。发表 SCI 论文 200 余篇,获国家发明专利授权 25 项、国际发明 3 项;以第一完成人获河北省自然科学奖一等奖、河北省科技进步一等奖。

文章链接:
O-bridged Co-Cu Dual-atom Catalyst Synergistically Triggers Interfacial Proton-coupled Electron Transfer: A New Approach to Sustainable Decontamination
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202423509

投稿 华北电力大学汪黎东教授团队 投稿、合作 、转载、进群,请添加小编微信Environmentor2020!环境人Environmentor是环境领 最大的学术公号 ,拥有 20W+活跃读者 。由于微 信修改了推送规则,请大家将环境人Environmentor加为 星标 ,或每次看完后点击页面下端的 “在看” ,这样可以第一时间收到我们每日的推文! 环境人Environmentor现有综合群、 期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个,欢迎大家加小编微信Environmentor2020,我们会尽快拉您进入对应的群



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