Evaluation of the resistance of cobalt(IV)-oxo species to the inhibitory effects of background substances in water using cobalt-doped hydroxylated g-C3N4 and their selective oxidation of electron-rich organic pollutants

Abstract

Understanding of the selectivity of high-valent cobalt-oxo species (Co(IV)〓O) toward diverse organic pollutants with different characteristics in the presence of background constituents remains limited. Here, we prepared Co-loaded hydroxyl group-grafted graphitic carbon nitride (Co-OHCN) using a facile method for the effective formation of Co(IV)〓O. The role of the hydroxyl group in anchoring Co ions was investigated using several characterization methods (TEM, XRD, FT-IR, and XPS). Co-OHCN exhibited superior efficiency in degrading 4-chlorophenol (4-CP) (98.0% ± 0.3%) within 15 min of peroxymonosulfate (PMS) activation reaction. In the Co-OHCN/PMS system, Co(IV)〓O had the highest steady-state concentration ([Co(IV)〓O] = 1.40 ×10-10 M), significantly exceeding that of other reactive oxygen species (ROS) ([SO4∙−] = 9.22 × 10-13 M, [∙OH] = 1.82 × 10-13 M). The dominant role of Co(IV)〓O in 4-CP degradation was further revealed through scavenger tests, probe methods, and electrochemical analysis. Additionally, the anti- interference of Co(IV)〓O in the degradation of electron-rich organic substrates to background constituents (NOM and halide ions) was systemically validated using three organic pollutants with different ionization potential values (diclofenac, 4-CP, and benzoic acid). This study provides insight into an efficient strategy for Co(IV)〓O-mediated pollutant elimination and organic substrate-dependent selectivity of Co(IV)〓O during water decontamination.|수중 배경 물질이 존재하는 경우 다양한 특성을 가진 유기오염물질에 대한 코발트(IV)-옥소 종(Co(IV)〓O)의 선택성을 평가한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에선 Co(IV)〓O의 효과적인 생성을 위한 코발트 도핑 수산화 g-C3N4(Co-OHCN)를 합성하였으며, 여러 특성 분석(TEM, XRD, FT-IR, XPS)을 통해 코발트 이온을 고정하는 데 있어 수산화기의 역할을 확인하였다. Co-OHCN을 활용한 과황산염(PMS) 활성화 반응은 4-클로로페놀(4-CP)의 98.0% ± 0.3%를 15분 내에 제거하였다. Co-OHCN/PMS 시스템에서 Co(IV)〓O는 다른 활성 산소 종(ROS)에 비해 높은 정상 상태 농도 ([Co(IV)〓O] = 1.40 ×10-10 M), [SO4∙−] = 9.22 × 10-13 M, [∙OH] = 1.82 × 10-13 M)를 나타냈다. 스캐빈저의 영향 평가 및 프로브 물질 사용을 통해 4-CP 분해에 가장 주된 역할을 하는 반응종이 Co(IV)〓O임을 확인하였다. 또한 전자 풍부 유기오염물질의 제거 시 수중 배경 물질(NOM 및 할로겐 이온)에 대한 Co(IV)〓O의 간섭 방지 효과는 서로 다른 이온화 포텐셜을 가진 세 가지 유기오염물질(디클로페낙, 4-CP, 벤조산)을 활용하여 체계적으로 검증되었다. 이러한 결과는 오염물질의 특성에 따른 Co(IV)〓O의 선택성을 활용한 효율적인 수중 유기오염물질 제거 방법에 대한 통찰을 제공한다.