Regulación del Acoplamiento Orbital 4f-2p-3d en CeO₂ mediante Dopaje Dual de Transición Metálica para una Activación...

Área de la Ciencia:

• Química Ambiental
• Ciencia de los Materiales
• Catálisis

Sus antecedentes:

• Los procesos de oxidación avanzada basados en peroximonosulfato (PMS-AOPs) se ven obstaculizados por limitaciones cinéticas en los catalizadores de óxido de cerio (CeO₂).
• La lenta transferencia de electrones interfacial y la ineficiente desorción de intermedios que contienen oxígeno dificultan el rendimiento del catalizador.

Objetivo del estudio:

• Diseñar un novedoso catalizador de CeO₂ dopado con metales de transición duales (Fe/Co) para superar las limitaciones cinéticas en los PMS-AOPs.
• Optimizar la estructura electrónica del CeO₂ mediante el acoplamiento orbital 4f-2p-3d gradiente para una actividad catalítica mejorada.

Principales métodos:

• Se empleó la síntesis autocatalítica para crear catalizadores de CeO₂ dopados con Fe/Co.
• Se utilizaron técnicas de caracterización exhaustivas para analizar la estructura y las propiedades electrónicas del catalizador.
• Se realizaron cálculos de Teoría Funcional de la Densidad (DFT) para investigar los mecanismos de reacción y las barreras de energía.

Principales resultados:

• La coquefacción Fe/Co indujo distorsiones de la red, aumentó el contenido de Ce (IV) y redujo la brecha de energía, mejorando la transferencia de electrones interfacial.
• El catalizador FeCo3-CeO₂ optimizado logró una constante de velocidad de degradación de norfloxacina 25 veces mayor que Fe-CeO₂ y 7 veces mayor que Co-CeO₂.
• Los estudios mecanísticos revelaron vías duales de radicales/no radicales, con sitios de Ce que generan ¹O₂ y sitios de Fe/Co que inician la formación de SO₄ ^•-.

Conclusiones:

• El catalizador de CeO₂ dopado con Fe/Co resuelve eficazmente los cuellos de botella cinéticos en los PMS-AOPs optimizando el acoplamiento orbital y la desorción de intermedios.
• El catalizador exhibe una amplia aplicabilidad, robustez en diversas matrices de agua y una alta y sostenida eficiencia de eliminación de contaminantes en operación de flujo continuo.
• Este estudio proporciona una base para el diseño de catalizadores de materiales 4f de alto rendimiento para la purificación de agua mediante la regulación precisa del acoplamiento orbital.