Construction of CoFe2O4/MXene Composites and Activation of Persulfate for Degradation of Atrazine

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230307

Chinese Journal of Applied Chemistry ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (2): 256-267.DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230307

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Construction of CoFe₂O₄/MXene Composites and Activation of Persulfate for Degradation of Atrazine

Meng-Han CAO¹, Peng XU², Feng-Yin SHI¹, Gui-E LI¹, Guo-Dong ZHANG¹, Qing-Zhu ZHENG¹, Guang-Shan ZHANG¹()

^1.College of Resources and Environment，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China
^2.School of Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China

Received:2023-10-08 Accepted:2023-12-24 Published:2024-02-01 Online:2024-03-05
Contact: Guang-Shan ZHANG
About author:gszhang@qau.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52370174);the Natural Science Foundation of Shandong Province, China(ZR2022ME128)

Abstract

Abstract:

The bimetal oxide （CoFe₂O₄）/MXene composite catalyst is successfully prepared by microwave-assisted hydrothermal method to support the MXene on the CoFe₂O₄ and used for the activation of peroxymonosulfate （PMS）. The structure， morphology and elemental valence states of the composite catalyst are characterized by X-ray diffraction （XRD）， scanning electron microscopy （SEM） and X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）. It is found that CoFe₂O₄ is successfully loaded on MXene. Taking atrazine （ATZ） as the target pollutant， the effects of catalyst dosage， persulfate concentration， pH and other factors on the degradation of ATZ in the CoFe₂O₄/MXene activated PMS degradation system are studied. The results show that at pH=6.35， the degradation of ATZ reaches 100% within 15 min when the amount of CoFe₂O₄/MXene （0.1 g/L） and PMS （0.37 mmol/L） are low. The quenching experiments show that both free radical and non-free radical pathways exist in the reaction system， in which $S O 4 ? -$ ， $O 2 ? -$ and ¹O₂ play a dominant role， which together acts on the degradation process of ATZ. This study has developed novel materials with excellent catalytic properties， which can provide new ideas for the degradation of organic pollutants by activated PMS over heterogeneous CoFe₂O₄/MXene catalysts.

Key words: CoFe₂O₄/MXene, Microwave hydrothermal, Peroxymonosulfate, Atrazine, Active species

CLC Number:

O643.3

Meng-Han CAO, Peng XU, Feng-Yin SHI, Gui-E LI, Guo-Dong ZHANG, Qing-Zhu ZHENG, Guang-Shan ZHANG. Construction of CoFe₂O₄/MXene Composites and Activation of Persulfate for Degradation of Atrazine[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(2): 256-267.

Figures/Tables 11

Fig.1 XRD patterns of （A） Ti3AlC2 and MXene， and （B） CoFe2O4 and CoFe2O4/MXene

Fig.2 SEM images of （A） CoFe2O4，（B） MXene and （C） CoFe2O4/MXene；（D） TEM，（E） HRTEM and （F） SAED of CoFe2O4/MXene；（G-K） EDS of CoFe2O4/MXene

Table 1 Specific surface areas and pore characteristics of MXene， CoFe2O4 and CoFe2O4/MXene

Catalysts	S_BET/（m²·g^-1）	Pore volume/（cm³·g^-1）	Pore size/nm
CoFe₂O₄/MXene	77.83	0.10	3.09
CoFe₂O₄	65.33	0.09	3.10
MXene	7.32	0.07	3.82

Fig.3 （A） The N2 adsorption/desorption isotherms and （B） pore size distribution plots of of MXene， CoFe2O4 and CoFe2O4/MXene

Fig.4 XPS spectra of CoFe2O4/MXene. （A） Survey spectra，（B） C1s，（C） O1s，（D） Co2p，（E） Fe2p and （F） Ti2p

Fig.5 Effect of different oxidation systems on （A） ATZ removal efficiency，（B） corresponding pseudo-first order kinetics （operating condition： ρ（ATZ）= 10 mg/L， ρ（catalyst）= 0.1 g/L， n（PMS）∶n（ATZ）=7∶1， room temperature）

Fig. 6 Effect of mass fraction of MXene on catalyst performance （operating condition： ρ（ATZ）= 10 mg/L， ρ（catalyst）= 0.1 g/L， n（PMS）∶n（ATZ）=7∶1， room temperature）

Fig.7 Effects of （A） the molar ratio of PMS to ATZ，（B） CoFe2O4/MXene dosage，（C） pH values on the ATZ degradation efficiencies，（D） ion dissolution in CoFe2O4/MXene/PMS system （operating condition： ρ（ATZ）= 10 mg/L， mass concentration of catalyst is 0.1 g/L， n（PMS）∶n（ATZ）=7∶1， room temperature）

Fig.8 Coexisting substances （1 mmol/L） on the removal efficiency of ATZ （operating condition： ρ（ATZ）=10 mg/L， ρ（catalyst）= 0.1 g/L， n（PMS）∶n（ATZ）=7∶1， room temperature）

Fig.9 Effects of radical scavengers on （A） the ATZ degradation efficiencies and （B） corresponding pseudo-first order kinetics （operating condition： ρ（ATZ）=10 mg/L， mass concentration of catalyst is 0.1 g/L， n（PMS）∶n（ATZ）=7∶1， n（scavengers）∶n（PMS）=100∶1， room temperature）

Fig.10 Schematic of the catalytic mechanism of ATZ degradation by the CoFe2O4/MXene/PMS system

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