Sulfate radical (SO4•–) is widely recognized as the predominant species generated from the cobalt(II)-activated peroxymonosulfate (PMS) process. However, in this study, it was surprisingly found that methyl phenyl sulfoxide (PMSO) was readily oxidized to the corresponding sulfone (PMSO2) with a transformation ratio of ∼100% under acidic conditions, which strongly implied the generation of high-valent cobalt-oxo species [Co(IV)] instead of SO4•– in the Co(II)/PMS process. Scavenging experiments using methanol (MeOH), tert-butyl alcohol, and dimethyl sulfoxide further suggested the negligible role of SO4•– and hydroxyl radical (•OH) but favored the generation of Co(IV). By employing 18O isotope-labeling technique, the formation of Co(IV) was conclusively verified and the oxygen atom exchange reaction between Co(IV) and H2O was revealed. Density functional theory calculation determined that the formation of Co(IV) was thermodynamically favorable than that of SO4•– and •OH in the Co(II)/PMS process. The generated Co(IV) species was indicated to be highly reactive due to the existence of oxo-wall and capable of oxidizing the organic pollutant that is rather recalcitrant to SO4•– attack, for example, nitrobenzene. Additionally, the degradation intermediates of sulfamethoxazole (SMX) in the Co(II)/PMS process under acidic conditions were identified to further understand the interaction between Co(IV) and the representative contaminant. The developed kinetic model successfully simulated PMSO loss, PMSO2 production, SMX degradation, and/or PMS decomposition under varying conditions, which further supported the proposed mechanism. This study might shed new light on the Co(II)/PMS process.

Potassium periodate (PI, KIO4) was readily activated by Fe(II) under acidic conditions, resulting in the enhanced abatement of organic contaminants in 2 min, with the decay ratios of the selected pollutants even outnumbered those in the Fe(II)/peroxymonosulfate and Fe(II)/peroxydisulfate processes under identical conditions. Both 18O isotope labeling techniques using methyl phenyl sulfoxide (PMSO) as the substrate and X-ray absorption near-edge structure spectroscopy provided conclusive evidences for the generation of high-valent iron-oxo species (Fe(IV)) in the Fe(II)/PI process. Density functional theory calculations determined that the reaction of Fe(II) with PI followed the formation of a hydrogen bonding complex between Fe(H2O)62+ and IO4(H2O)-, ligand exchange, and oxygen atom transfer, consequently generating Fe(IV) species. More interestingly, the unexpected detection of 18O-labeled hydroxylated PMSO not only favored the simultaneous generation of ·OH but also demonstrated that ·OH was indirectly produced through the self-decay of Fe(IV) to form H2O2 and the subsequent Fenton reaction. In addition, IO4- was not transformed into the undesired iodine species (i.e., HOI, I2, and I3-) but was converted to nontoxic iodate (IO3-). This study proposed an efficient and environmental friendly process for the rapid removal of emerging contaminants and enriched the understandings on the evolution mechanism of ·OH in Fe(IV)-mediated processes.

Heterogeneous catalytic ozonation (HCO) holds promise in water purification but suffers from limited accessible metal sites, metal leaching, and unclear structure-activity relationships. This work reported M-NC (M=Co, Ni, Fe, and Mn) single-atom catalysts (SACs) with high atomic efficiency and minimal metal release. The new HCO systems, especially the Co-based system, exhibited impressive performance in various refractory contaminant removal, involving various reactive species generation, such as •OH

Freestanding nanomembranes fabricated by lift-off technology have been widely utilized in microelectromechanical systems, soft electronics, and microrobotics. However, a conventional chemical etching strategy to eliminate nanomembrane adhesion often restricts material choice and compromises quality. Herein, we propose a nanomembrane-on-graphene strategy that leverages the weak van der Waals adhesion on graphene to achieve scalable and controllable release and 3D construction of nanomembranes. This fragile adhesion allows for precise delamination under stimulations, such as surface tension, thermal treatment, and mechanical bending. This strategy is compatible with various inorganic materials, including oxides, semiconductors, and metals, and allows for precise control of rolling and folding into 3D microstructures. Demonstrations include tubular microrobots with diverse locomotion and biodegradable nerve scaffolds based on facile delamination. Our nanomembrane-on-graphene strategy offers a versatile platform for the fabrication of functionalized microstructures.