L’augmentation rapide de l’industrialisation mondiale au cours des siècles passés a entraîné le rejet d’un excès de polluants toxiques dans l’environnement, menaçant gravement l’écosystème aquatique et la santé humaine. Les procédés d'oxydation avancée à base de peroxymonosulfate (PMS-AOP) sont des techniques attrayantes pour traiter ces polluants toxiques.
Tirant parti de diverses espèces réactives de l’oxygène (ROS), les AOP sont recherchées pour oxyder, voire minéraliser, les polluants organiques récalcitrants et toxiques. Les catalyseurs à atome unique (SAC) se caractérisent par une utilisation maximisée des atomes ainsi que par des sites actifs uniformes et bien définis, très prometteurs pour une activation efficace et sélective du PMS. Cependant, les relations structure-activité/sélectivité n'ont pas encore été bien révélées en raison des multiples voies de génération de ROS et de leur interaction complexe.
Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Shaobin Wang de l'Université d'Adélaïde, en Australie, et le professeur Hui Zhang de l'Université de Wuhan, en Chine, a élucidé les mécanismes d'activation du PMS par des catalyseurs de fer à un seul atome et identifié les relations entre les formes géométriques. et les structures électroniques des centres de Fe d'un seul atome pour la production sélective de différentes espèces/voies réactives. Les résultats ont été publiés dans le Chinese Journal of Catalysis. .
L'activation du PMS par des sites à atome unique se déroule généralement en trois étapes. La première étape est l'adsorption de HSO5 – sur le centre Fe d’un seul atome avec des alignements moléculaires variables. La deuxième étape est le transfert de charge entre le centre Fe actif et le HSO5 adsorbé. – , entraînant un changement de densité de charge et même un clivage de la liaison O – O de HSO 5 – . La troisième étape est le détachement du HSO5 activé – par une libération spontanée d'espèces réactives (telles que les radicaux libres et 1 O2 ) ou décomposition des espèces liées à la surface avec d'autres substrats (tels que le catalyseur-PMS* et le Fe IV =O) pour régénérer le site actif.
En raison de la complexité de l’activation du PMS avec plusieurs étapes et de la génération de ROS avec plusieurs intermédiaires de réaction, diverses ROS sont produites même sur un site atomique unique de Fe. Alors que les outils théoriques peuvent déterminer efficacement la structure d’adsorption du PMS énergétiquement optimale, la génération ultime de ROS spécifiques nécessite une énergie libre de réaction modérée dans chaque étape de réaction. Par conséquent, le contrôle de la sélectivité des ROS nécessite de gérer à la fois l’énergie d’adsorption du PMS et l’énergie sans réaction des étapes élémentaires cruciales.
Dans ce contexte, la régulation de la structure électronique du site actif est un moyen efficace de gouverner l'activité d'activation du PMS et la sélectivité des ROS pour établir les relations. Cela implique une augmentation modérée de la densité de charge des sites Fe en construisant Fe – N2 –O2 et Fe–N5 sites à améliorer 1 O2 et Fe IV =O génération, ainsi qu'un Fe–N3 site de génération de complexes catalyseur-PMS*. Augmentation supplémentaire de la densité de charge par Fe – N3 –P1 et Fe–N4 (N pyrrolique) favorise la génération de radicaux.
Plus d'informations : Cheng Cheng et al, Catalyseurs de fer à un seul atome pour les processus d'oxydation avancés à base de peroxymonosulfate :structure de coordination par rapport aux espèces réactives, Chinese Journal of Catalysis (2024). DOI :10.1016/S1872-2067(23)64611-X
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
