南昌航空大学邹建平课题组ACB：异相FeNi-MOFs中光诱导加速Fe3+/Fe2+循环促进过硫酸盐活化降解有机污染物

图文摘要

成果简介

近日，南昌航空大学邹建平课题组在 Applied Catalysis B: Environmental （影响因子 24.32 ）上发表了题为“ Photoinduced acceleration of Fe ³⁺ /Fe ²⁺  cycle in heterogeneous FeNi-MOFs to boost peroxodisulfate activation for organic pollutant degradation ”的研究论文 (DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.122054) ，探究了非均相 FeNi-MOFs 光催化复合材料通过光诱导加速 Fe ³⁺ /Fe ²⁺ 循环，促进过硫酸盐活化和降解有机污染物的行为及机理。作者通过光谱分析和密度泛函理论（ DFT ）计算阐明了在光照条件下所制备的 FeNi-MOFs 中配体到金属的电荷转移和相邻 Ni 中心的极化作用加速了 Fe ³⁺ /Fe ²⁺ 的氧化还原循环，实现了高于 58% 的 Fe ²⁺ 回收率和完全的污染物降解效率。该研究旨在为异相体系中加速 Fe ³⁺ /Fe ²⁺ 的循环以促进过硫酸盐活化提供新途径，同时也突出了金属有机框架材料在设计高级氧化反应体系中的巨大潜力 。

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引言

图文导读

表征分析

Fig. 1.  (a) XRD patterns of synthesized FeNi-MOFs, Ni-MOFs and calculated Ni-MOFs. (b) Mössbauer spectrum of FeNi-MOFs. (c) Proposed crystal structure of FeNi-MOFs. (d) SEM, (e) TEM and (f-i) EDS elemental mapping of FeNi-MOFs .

催化性能

Fig. 2. (a) Degradation rate of TC over different systems. (b) Effect of Fe/Ni ratio on TC degradation rate. (c) Effect of pH on TC degradation rate and total dissolved iron concentration. (d) Effect of inorganic ions on TC degradation in FeNi-MOFs/PDS system. (e) Capability of the FeNi-MOFs/PDS system for degradingvarious pollutants. (f) Specific activity comparisons of FeNi-MOFs and existing catalysts. Experimental conditions: [pollutant] ₀ = 30 mg/L; [Catalyst] ₀ = 0.2 g/L; [PDS] ₀ = 1.5 mM; [inorganic ions] ₀ = 5 mM .

活性物质

Fig. 3.  (a) Quenching experiments on TC degradation. (b) DMPO-trapped EPR spectra of PDS activation over FeNi-MOFs, PDS and FeNi-MOFs/PDS under light irradiation. (c) Formation kineticsof ·OHand PDS consumption. (d) Reaction kinetics of TC, NB and BA over FeNi-MOFs/PDS system and the contribution of ·OH and SO ₄ ^·- toward TC degradation. Experimental conditions: [TC] ₀ = [NB] ₀ = [BA] ₀ = 30 mg/L; [Catalyst] ₀ = 0.2 g/L; [PDS] ₀ = 1.5 mM; [quencher] ₀ = 750 mM; [TPA] ₀ = 2 Mm .

活性物种测试表明， ·OH 和 ·SO ₄ ⁻ 是该体系中的主要活性物种。 自由基稳态动力学模型探究显示， ·OH 对污染物降解效率占 61.8% ， ·SO ₄ ⁻ 占 37.4%。

铁循环证明

Fig. 4. (a) The concentration of Fe ²⁺ over different systems. (b) The quenching effect of TC removal rate in FeNi-MOFs/PDS system. (c,d) The XPS spectra of Fe and Ni in FeNi-MOFs with or without light irradiation. (e) The electrochemical impedance spectra. (f) Cyclic voltammetry measurements over different systems. Experimental conditions: [TC] ₀ = 30 mg/L; [catalyst] ₀ = 0.2 g/L; [PDS] ₀ = 1.5 mM; [Fe ²⁺ ] ₀ = [Fe ³⁺ ] ₀ = 4.6 mg/L .

Fig. 5.  The schematical illustration of Fe ³⁺ /Fe ²⁺ cycle and persulfate activation for pollutant degradation over FeNi-MOFs under light irradiation .

小结

本工作制备了 Fe 物种引入的镍基 MOFs （ FeNi-MOFs ），并将其用于过硫酸盐活化，以建立高效的 PS-AOPs 降解污染物体系。通过光谱分析和理论计算证实，在光照下 Fe 在 Ni-MOFs 框架中确实能够有效加速 Fe ^3+/ Fe ²⁺ 的循环，从而提高 PS-AOPs 的降解效率。本研究揭示了过硫酸盐活化非均相催化剂中加速 Fe ^3+/ Fe ²⁺ 氧化还原循环的内在机制，并为 PS-AOPs 高性能铁基催化剂的设计和合成提供了新的见解 。

作者介绍