锚定在 Ti₃C₂ 基 MXene（即 Co-SA/MXene）上的钴原子在消除水性微污染物方面具有优异的催化性能。在此，作者首次提出了一种蚀刻-剥离-还原的耦合方法来富集钛空位。合成的 Co-SA/MXene 对雷尼替丁的去除率高达 100%，相应的反应动力学常数（μmol/s-g）是雷尼替丁降解技术水平的 1.11 至 6643.53 倍。大量钛空位的引入通过加速 Co(II) 和 Co(III) 的价态循环实现了长寿命，同时还有效抑制了有毒 Co²⁺的浸出。DFT 揭示了 O_II/O_III双原子更适合吸附 PMS，同时提供更强的吸附能，并进一步为 PMS 激活机制中¹O₂的选择生成提供了新的见解。这项工作揭示了雷尼替丁的氧化行为，并为快速去除水体微污染物建立了一种极具吸引力的水处理技术。
 
 
Fig 1. (a) Co-SA/MXene 的合成示意图。(b) Co-SA/MXene 的扫描电子显微镜（SEM）图像，(c) 和 (d) 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。(e)和(f)选区电子衍射（SAED）图案和优化结构（图 1f 插图），以及(g)Co-SA/MXene 的代表性强度曲线。(h) Co-SA/MXene 的能量色散 X 射线映射，包括 (i)Ti、(j)C、(k)O 和 (l)Co。
 

Fig 2. （a）MAX 相、Ti₃C₂基 MXene 和 Co-SA/MXene 的 XRD 图和（b）傅立叶变换红外光谱。(c) Ti₃C₂-based MXene 和 Co-SA/MXene 的拉曼光谱。Co-SA/MXene 的 (d) Ti 2p，(e) O 1 s XPS 光谱。 (f) Co-SA/MXene 和对照样的 Co K-edge 的归一化 XANES 光谱。(g) Co-SA/MXene 和对照样的 Co K-edge FT-EXAFS 光谱。(h) R 空间中 Co-SA/MXene 的 Co K-edge EXAFS 拟合曲线（插图：Co-SA/MXene 的可能结构），以及 Co-SA/MXene 的 FT-EXAFS 光谱的第一、二壳（O、Ti）拟合结果。(i) Co-SA/MXene、(j) Co 箔、(k) CoO、(l) Co₂O₃和 (m) Co₃O₄的小波变换。
 

Fig 3. (a) 不同反应体系中 RAN 的降解实验。(b) 不同剂量下 Co-SA/MXene 激活的 PMS 对 RAN 降解的表观速率常数的比较。(c) PMS 剂量对 RAN 降解表观速率常数的影响。(d) 初始 pH 值对 RAN 降解的影响。(e) Co-SA/MXene 的ζ电位测试。(f) 通过 H⁺攻击 Co-SA/MXene 生成 Co²⁺的示意图。(g) 用于估算活化能的阿伦尼乌斯图（蓝色区域为 95%置信区间）。(h) 不同技术下 RAN 去除动力学的比较。(i) 不同无机阴离子在 Co-SA/MXene 和 PMS 非均相反应体系中对 RAN 降解的影响（这些无机阴离子的浓度为 200 mM）。
 

Fig 4. (a) 使用 DMPO 作为 SO₄^∙-和∙OH 的捕获剂以及 TEMP 作为¹O₂的捕获剂的 Co-SA/MXene 和 PMS 系统的 EPR 光谱。(V_DMPO= 50 μL, V_sample= 2 mL, [DMPO]₀= 0.1 M, [TEMP]₀= 0.5 M) (b) 在各种淬灭条件下 RAN 去除效率的比较。(c₁) Ti₃C₂-基 MXene 和(c₂) Co-SA/MXene 的优化结构和 ESP 图。(d) Ti₃C₂-基 MXene 和 Co-SA/MXene 的 2D ELF 图像。
 

Fig 5. (a) Co-SA/MXene 和(b) Ti₃C₂基 MXene 的 PDOS。(c) PMS 分子的理论结构模型及其在 Co-SA/MXene 上的三种优化吸附构型。(d) PMS 分子在 Co-SA/MXene 上通过分子结构中不同 O 原子（即 O、O_II和 O_III）的吸附能（E_ads）。(e) PMS 通过 O_II和 O_III原子吸附在 Co-SA/MXene 上的电荷密度差（CDD）图。(f) PMS 分子在 Co-SA/MXene 上的活化过程的势能剖面。
 
 
Fig 6. (a) RAN 的优化模型及其对应的 HOMO 和 LUMO。(b) RAN 在 Co-SA/MXene 和 PMS 系统中的可能降解途径及其已识别的中间体。(c) RAN 及其中间体在 Co-SA/MXene 和 PMS 系统中的毒性评估。(d) Co-SA/MXene 在不同实际水体中对 RAN 降解的应用。(e) Co-SA/MXene 和 PMS 系统中染料和抗生素的降解。除所研究的参数外，其他参数固定：[微污染物]₀= 3 mg/L，[Co-SA/MXene]₀= 25 mg/L，[PMS]₀= 50 mg/L，[pH]₀= 7.0，反应温度为 25 ℃。
 
       相关研究工作由河北大学Yiyang Ma团队于2024年在线发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》期刊上，Ti₃C₂-based MXene anchoring single-atom Co as a long-lasting peroxymonosulfate activator enabling efficient water decontamination：Deciphering the critical role of titanium vacancies，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124966

转自《石墨烯研究》公众号