Gas separation by selective transport through polymeric membranes is one of the fastest growing branches of membrane technology. However, the existing polymeric membrane materials are inadequate to fully exploit the application opportunities on industrial scale; the improvement in permeability is at the expense of selectivity, and vice versa. A new type of membrane material emerging with the potential for future applications is mixed matrix materials composed of homogeneously interpenetrating polymeric and inorganic particle matrices. Compared to original polymeric membranes, significant improvement in separation properties with trivial loss in membrane flexibility is expected for the resultant mixed matrix membranes (MMMs). This review first gives an outline of the concept and the key advances of MMMs. Subsequently, recent developments are presented, including two immediate challenges: achieving an optimized interface structure, and forming asymmetric or composite membrane with an ultrathin and defect-free mixed matrix skin. Attractive avenues to overcome these challenges are emphasized. The review of the Maxwell model demonstrates how the transport properties of MMMs are related to the polymer matrix, molecular sieves, as well as membrane morphology. Finally, future directions of MMMs’ fabrication and application are suggested.

A novel silane coupling agent, (3-aminopropyl)-diethoxymethyl silane (APDEMS) was used in this work to modify zeolite surface for mixed matrix membranes (MMMs). Both elementary analysis and XPS spectra confirm the chemical modification, while BET measurements show no changes in zeolite surface area and total pore volume after the modification. Polyethersulfone (PES)–zeolite 3A, 4A and 5A MMMs were fabricated at high processing temperatures using unmodified and chemical modified zeolite. SEM images of these MMMs indicate the interface between polymer and zeolite phases becomes better if modified zeolite is used. The effects of chemical modification of zeolite surface and zeolite loadings on the gas separation performance of these MMMs were investigated. Both permeability and selectivity of MMMs made from APDEMS modified zeolite are higher than those of MMMs made from unmodified zeolite at 20 wt% zeolite loading because of a decrease in the degree of partial pore blockage of zeolites. The permeability of all studied gases decreases with increasing zeolite content for PES–zeolite 4A-NH2 MMMs, while for PES–zeolite 5A-NH2 MMMs, the gas permeability decreases and then increases with an increase in zeolite loadings. This unique phenomenon implies that using large pore-size zeolite for MMMs would potentially offset the negative effects of partial pore blockage and polymer chain rigidification on permeability. A modified Maxwell model with adjusted parameters was applied to study the PES–zeolite 4A-NH2 MMM system. The predicted permeability and selectivity show very good agreement with experimental data, indicating the modified Maxwell model is fully capable of predicting the gas separation performance of MMMs made from both unmodified and modified zeolite.

Mn2O3-doped Fe2O3 hexagonal microsheets were prepared for the low-temperature selective catalytic reduction (SCR) of NO with NH3. These hexagonal microsheets were characterized by SEM, TEM, XRD, BET, XPS, NH3-TPD, H2-TPR, and in situ DRIFT and were shown to exhibit a considerable uniform hexagonal microsheet structure and excellent low temperature SCR efficiency. When doped with different Mn molar ratios, Mn2O3 was detected in the Fe2O3 hexagonal microsheets based on the XRD results without the presence of other MnOX species. In addition, the hexagonal microsheets with a Mn/Fe molar ratio of 0.2 showed the best SCR removal performance among the materials, where a 98% NO conversion ratio at 200 °C at a space velocity of 30 000 h–1 was obtained. Meanwhile, excellent tolerances to H2O and SO2, as well as high thermal stability, were obtained in Mn2O3-doped Fe2O3 hexagonal microsheets. Moreover, on the basis of the XPS and in situ DRIFT results, it can be suggested that coupled Mn2O3 nanocrystals played a key role at low temperatures and produced a possible redox reaction mechanism in the SCR process.

The peroxymonosulfate (PMS)-triggered radical and nonradical active species can synergistically guarantee selectively removing micropollutants in complex wastewater; however, realizing this on heterogeneous metal-based catalysts with single active sites remains challenging due to insufficient electron cycle. Herein, we design asymmetric Co-O-Bi triple-atom sites in Co-doped Bi2O2CO3 to facilitate PMS oxidation and reduction simultaneously by enhancing the electron transfer between the active sites. We propose that the asymmetric Co-O-Bi sites result in an electron density increase in the Bi sites and decrease in the Co sites, thereby PMS undergoes a reduction reaction to generate SO4•- and •OH at the Bi site and an oxidation reaction to generate 1O2 at the Co site. We suggest that the synergistic effect of SO4•-, •OH, and 1O2 enables efficient removal and mineralization of micropollutants without interference from organic and inorganic compounds under the environmental background. As a result, the Co-doped Bi2O2CO3 achieves almost 99.3% sulfamethoxazole degradation in 3 min with a k-value as high as 82.95 min-1 M-1, which is superior to the existing catalysts reported so far. This work provides a structural regulation of the active sites approach to control the catalytic function, which will guide the rational design of Fenton-like catalysts.

Abstract Defects in nanomaterials often lead to properties that are absent in their pristine counterparts. To date, most studies have focused on the effect of single defects, while ignoring the synergy of multiple defects. In this study, a model of photocatalytic O 2 activation was selected to unravel the role of dual defects by decorating bismuth oxide with surface O vacancies and bulk O substitution simultaneously. The introduction of dual defects led to a spatial and electronic synergistic process: i) O substitution induced a local electric field in the bulk of BiO 2− x , which promoted bulk separation of electrons and holes immediately after their generation; ii) O vacancies efficiently lowered the conduction band, served as the capture center for electrons, and thus facilitated the adsorption and activation of O 2 . This effect was greatly promoted by the coexistence of bulk O substitution, and DFT calculations showed that only O substitution near an O vacancy could have this effect.

In this work, Ag/Bi5O7I nanocomposite was prepared and firstly applied in piezo/photocatalytic reduction of N2 to NH3 and methyl orange (MO) degradation. Bi5O7I was synthesized via a hydrothermal-calcination method and shows nanorods morphology. Ag nanoparticles (NPs) were photo deposited on the Bi5O7I nanorods as electron trappers to improve the spatial separation of charge carriers, which was confirmed via XPS, TEM, and electronic chemical analyses. The catalytic test indicates that Bi5O7I presents the piezoelectric-like behavior, while the loading of Ag NPs can strengthen the character. Under ultrasonic vibration, the optimal Ag/Bi5O7I presents high efficiency in MO degradation. The degradation rate is determined to be 0.033 min−1, which is 4.7 folds faster than that of Bi5O7I. The Ag/Bi5O7I also presents a high performance in piezocatalytic N2 fixation. The piezocatalytic NH3 generation rate reaches 65.4 μmol L−1 g−1 h−1 with water as a hole scavenger. The addition of methanol can hasten the piezoelectric catalytic reaction. Interestingly, when ultrasonic vibration and light irradiation simultaneously act on the Ag/Bi5O7I catalyst, higher performance in NH3 generation and MO degradation is observed. However, due to the weak adhesion of Ag NPs, some Ag NPs would fall off from the Bi5O7I surface under long-term ultrasonic vibration, which would greatly reduce the piezoelectric catalytic performance. This result indicates that a strong binding force is required when preparing the piezoelectric composite catalyst. The current work provides new insights for the development of highly efficient catalysts that can use multiple energies.

Abstract Peroxymonosulfate (PMS) mediated radical and nonradical active substances can synergistically achieve the efficient elimination of antibiotic resistance genes (ARGs). However, enhancing interface electron cycling and optimizing the coupling of the oxygen‐containing intermediates to improve PMS activation kinetics remains a major challenge. Here, Co doped CeVO 4 catalyst (Co−CVO) with asymmetric sites was constructed based on Ce 4f−O 2p−Co 3d gradient orbital coupling. The catalyst achieved approximately 2.51×10 5 copies/mL of extracellular ARGs (eARGs) removal within 15 minutes, exhibited ultrahigh degradation rate (k=1.24 min −1 ). The effective gradient 4f‐2p‐3d orbital coupling precisely regulates the electron distribution of Ce−O−Co active center microenvironment, while optimizing the electronic structure of Co 3d states (especially the occupancy of e g ), promoting the adsorption of oxygen‐containing intermediates. The generated radical and nonradical generated by interfacial electron cycling enhanced by the reduction reaction of PMS at the Ce site and the oxidation reaction at the Co site achieved a significant mineralization rate of ARGs (83.4 %). The efficient removal of ARGs by a continuous flow reactor for 10 hours significantly reduces the ecological risk of ARGs in actual wastewater treatment.