Одноатомный кобальтовый катализатор в реакторе с неподвижным слоем разлагает свыше 90% тетрациклина за 15 суток

Группа Цзянбо Си из Уханьского технологического института совместно с командой Чжунсиня Чэня из Китайского университета Гонконга (Шэньчжэнь) создала структурированный катализатор на одиночных атомах кобальта и применила его в реакторе с неподвижным слоем для непрерывного разложения антибиотиков и органических красителей. Работа опубликована в Science China Chemistry и доступна через dx.doi.org. dx.doi.orgdx.doi.orgdx.doi.orgОткрыть источник ↗ Катализатор Co1/PUF-NG содержит одноатомные центры кобальта с асимметричной координацией Co-N3O1 на матрице из пенополиуретана и азотсодержащего графена. dx.doi.orgdx.doi.orgdx.doi.orgОткрыть источник ↗ Реактор работает за счёт активации пероксимоносульфата (PMS) в реакции типа Фентона; по данным авторов, степень разложения тетрациклина превысила 90% после 15 суток непрерывной работы. dx.doi.orgdx.doi.orgdx.doi.orgОткрыть источник ↗

Синтез и структура катализатора

Материал получен одностадийным гидротермальным методом при 120 °C из оксида графена, нитрата кобальта и пенополиуретана, который служил и трёхмерным каркасом, и источником азота. Согласно сообщению, продукт сохраняет связанную пористую структуру, которая снижает гидравлическое сопротивление и улучшает массоперенос. Просвечивающая электронная микроскопия с коррекцией аберраций показала кобальт в виде одиночных атомов. Рентгеновская абсорбционная спектроскопия указала на координацию примерно с тремя атомами азота и одним атомом кислорода. Контрольный образец, полученный при 180 °C, в основном формировал симметричную структуру Co-N4.

Производительность в потоке и механизм

Реактор с неподвижным слоем достиг максимального расхода 206 мл мин-1, примерно вдвое выше, чем у порошковой системы, сообщили авторы. В непрерывном потоке за 2 мин удалено 92% тетрациклина, частота оборотов составила 1,23 мин-1, что выше, чем у образца с центрами Co-N4. В перемешиваемой периодической системе тот же катализатор удалил 58% за 14 мин, тогда как проточная система в итоге достигла 98%. После работы каркас и одноатомное распределение кобальта оставались практически неизменными.

Механизм изучали методами радикального гашения, конкурентной кинетики, электронного парамагнитного резонанса и расчётами по теории функционала плотности. Относительные вклады •OH, SO4•- и 1O2 составили около 20%, 33% и 47%. Рассчитанная энергия адсорбции PMS равна -2,43 эВ на центрах Co-N3O1 против -2,28 эВ на Co-N4. Барьер образования 1O2 ниже примерно на 0,25 эВ, а Co-N3O1 передаёт PMS около 0,78 e⁻.