铁(Fe)基催化剂是一种基于深度氧化技术的废水修复的有希望候选者,但这些材料的制备往往涉及复杂和能源密集型的合成。此外,由于制备条件的固有限制,实现催化剂的全部潜力还具有挑战性。
基于此,复旦大学朱向东研究员等人报道了通过软碳辅助闪光焦耳加热(FJH)策略开发了一种铁基纳米催化剂。FJH涉及快速升温、电击和冷却,该过程同时将低品位铁矿物(FeS)和软碳转化为嵌入薄层石墨烯中的富电子纳米Fe0/FeS异质结构。该过程节能,能耗比传统热解降低34倍。
通过DFT计算,作者研究了纳米Fe0/FeS异质结构复合材料的催化机理。作者构建了石墨烯中Fe0/FeS异质结构的Fe0/FeS/C和FeS/Fe0/C两种结构模型,其中Fe0/FeS/C和FeS/Fe0/C的吸附能分别为-4.169 eV和-4.135 eV。
结果表明,对比FeS/C或Fe0/C与PDS的吸附体系,Fe0/FeS异质结构容易吸附PDS,并由于电子传输能力的提高而使O-O键断裂产生自由基。Fe0/FeS/C和FeS/Fe0/C的电子传输能力明显高于FeS/C和Fe0/C,由于电子离域效应能转移更多的电子。
此外,Fe0/FeS/C和FeS/Fe0/C在PDS的吸附能、O-O键和电子传输能力上的差异可以忽略不计。所有结果都证实,富电子纳米Fe0/FeS异质结构的存在极大改善了CAP的降解。
此外,O-O键的断裂是催化反应中必不可少的重要过程。对比Fe0/C,富电子Fe0/FeS/C具有更低的O-O键断裂能垒,催化反应具有更低的吉布斯自由能,因此电子离域效应使得富电子Fe0/FeS/C自发,且更容易激活PDS。
Rapid self-heating synthesis of Fe-based nanomaterial catalyst for advanced oxidation. Nat. Commun., 2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40691-2.