Single-atom catalysts (SACs) har dykt upp som lovande material för avancerade oxidationsprocesser (AOPs) på grund av deras höga effektivitet, selektivitet och stabilitet. AOP används i stor utsträckning för vattenrening och involverar generering av högreaktiva hydroxylradikaler (OH) som kan oxidera och bryta ned organiska föroreningar. I SAC är metallatomer isolerade och dispergerade på ett bärarmaterial, vilket maximerar deras användning och förbättrar deras katalytiska aktivitet.

För att förstå effekterna av SAC på vattenrening i AOP krävs att man undersöker flera nyckelfaktorer:

Metalval :Valet av metall för SAC är avgörande eftersom det bestämmer katalysatorns aktivitet och selektivitet. Metaller som järn (Fe), koppar (Cu), kobolt (Co) och mangan (Mn) har visat hög effektivitet i AOP. Metallens elektroniska egenskaper och redoxpotential påverkar genereringen och reaktiviteten av OH-radikaler.

Supportmaterial :Stödmaterialet spelar en viktig roll för att stabilisera metallatomerna och påverka deras katalytiska prestanda. Vanliga stödmaterial inkluderar metalloxider (t.ex. TiO2, CeO2), kolbaserade material (t.ex. grafen, kolnanorör) och metallorganiska ramverk (MOF). Interaktionen mellan metallen och bäraren kan modifiera den elektroniska strukturen och förbättra katalysatorns aktivitet och stabilitet.

Reaktionsmekanismer :Reaktionsmekanismerna genom vilka SAC underlättar nedbrytningen av organiska föroreningar i AOP är komplexa och involverar flera steg. SAC kan aktivera peroximonosulfat (PMS), väteperoxid (H2O2) eller persulfat (S2O82-) för att generera OH-radikaler. De specifika vägarna beror på metall-stödinteraktioner, lösningskemi och föroreningarnas natur.

Processoptimering :Att optimera AOP-förhållandena är väsentligt för att maximera effektiviteten hos SAC för vattenrening. Faktorer som pH, oxidantkoncentration, SAC-belastning och reaktionstemperatur måste kontrolleras noggrant för att uppnå optimal OH-radikalgenerering och avlägsnande av föroreningar.

Stabilitet och återanvändbarhet :Stabiliteten och återanvändbarheten hos SAC är avgörande för deras praktiska tillämpning i vattenreningssystem. SAC bör uppvisa hög hållbarhet under hårda reaktionsförhållanden och bibehålla sin katalytiska aktivitet under flera cykler utan betydande urlakning eller deaktivering.

Forskare använder olika experimentella tekniker och beräkningsmodeller för att undersöka effekterna av SAC på vattenrening i AOP. Dessa inkluderar katalysatorkarakterisering, aktivitetstester, kinetiska studier och beräkningar av densitetsfunktionsteori (DFT). Genom att förstå struktur-aktivitetsrelationerna och reaktionsmekanismerna strävar forskare efter att designa och optimera SAC med förbättrad prestanda för vattenreningstillämpningar.