Even though the well-established Haber–Bosch process has been the major artificial way to "fertilize" the earth, its energy-intensive nature has been motivating people to learn from nitrogenase, which can fix atmospheric N2 to NH3 in vivo under mild conditions with its precisely arranged proteins. Here we demonstrate that efficient fixation of N2 to NH3 can proceed under room temperature and atmospheric pressure in water using visible light illuminated BiOBr nanosheets of oxygen vacancies in the absence of any organic scavengers and precious-metal cocatalysts. The designed catalytic oxygen vacancies of BiOBr nanosheets on the exposed {001} facets, with the availability of localized electrons for π-back-donation, have the ability to activate the adsorbed N2, which can thus be efficiently reduced to NH3 by the interfacial electrons transferred from the excited BiOBr nanosheets. This study might open up a new vista to fix atmospheric N2 to NH3 through the less energy-demanding photochemical process.

A general one-pot solvothermal process was explored to prepare BiOX (X = Cl, Br, I) powders by employing ethylene glycol as the solvent. The as-prepared BiOX powders were characterized by X-ray powder diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, high-resolution transmission electron microscopy, UV−vis diffuse reflectance spectroscopy, and nitrogen sorption. The resulting BiOX samples were phase-pure and of hierarchical microspheres consisting of nanoplates. The band gaps of the as-prepared powders were estimated to about 3.22, 2.64, and 1.77 eV for BiOCl, BiOBr, and BiOI, respectively. On the basis of characterization results, we proposed a possible process for the growth of hierarchical BiOX nanoplate microspheres. Moreover, we evaluated their photocatalytic activities on the degradation of methyl orange and compared them with TiO2 (Degussa, P25) under UV−vis light irradiation and C-doped TiO2 under visible light (λ > 420 nm) irradiation, respectively. It was found that all the BiOX samples were photocatalytically active and BiOI exhibited excellent activity under both UV−vis and visible light irradiation. The resulting hierarchical BiOX nanoplate microspheres are very promising photocatalysts for degrading organic pollutants and other applications.

Understanding the chemistry of hydrogen peroxide (H2O2) decomposition and hydroxyl radical (•OH) transformation on the surface molecular level is a great challenge for the application of heterogeneous Fenton system in the fields of chemistry, environmental, and life science. We report in this study a conceptual oxygen vacancy associated surface Fenton system without any metal ions leaching, exhibiting unprecedented surface chemistry based on the oxygen vacancy of electron-donor nature for heterolytic H2O2 dissociation. By controlling the delicate surface structure of catalyst, this novel Fenton system allows the facile tuning of •OH existing form for targeted catalytic reactions with controlled reactivity and selectivity. On the model catalyst of BiOCl, the generated •OH tend to diffuse away from the (001) surface for the selective oxidation of dissolved pollutants in solution, but prefer to stay on the (010) surface, reacting with strongly adsorbed pollutants with high priority. These findings will extend the scope of Fenton catalysts via surface engineering and consolidate the fundamental theories of Fenton reactions for wide environmental applications.

In this study, hierarchical bismuth oxybromide (BiOBr) nanoplate microspheres were used to remove NO in indoor air under visible light irradiation. The BiOBr microspheres were synthesized with a nonaqueous sol−gel method by using bismuth nitrate and cetyltrimethyl ammonium bromide as the precursors. On degradation of NO under visible light irradiation (λ > 420 nm) at 400 part-per-billion level, which is typical concentration for indoor air quality, these nonaqueous sol−gel synthesized hierarchical BiOBr microspheres exhibited superior photocatalytic activity to the chemical precipitation synthesized counterpart BiOBr bulk powder and Degussa TiO2 P25 as well as C doped TiO2. The excellent catalytic activity and the long-term activity of nonaqueous sol−gel synthesized BiOBr microspheres were attributed to their special hierarchical structure, which was favorable for the diffusion of intermediates and final products of NO oxidation. Ion chromatograph results confirmed that nitric acid was produced on the surface of BiOBr microspheres during the photooxidation of NO in gas phase. This work suggests that the nonaqueous sol−gel synthesized BiOBr nanoplate microspheres are promising photocatalytic materials for indoor air purification.

In this study, we construct a surface Fenton system with hydroxylamine (NH2OH), goethite (α-FeOOH), and H2O2 (α-FeOOH-HA/H2O2) to degrade various organic pollutants including dyes (methyl orange, methylene blue, and rhodamine B), pesticides (pentachlorophenol, alachlor, and atrazine), and antibiotics (tetracycline, chloramphenicol, and lincomycin) at pH 5.0. In this surface Fenton system, the presence of NH2OH could greatly promote the H2O2 decomposition on the α-FeOOH surface to produce ·OH without releasing any detectable iron ions during the alachlor degradation, which was different from some previously reported heterogeneous Fenton counterparts. Moreover, the ·OH generation rate constant of this surface Fenton system was 102-104 times those of previous heterogeneous Fenton processes. The interaction between α-FeOOH and NH2OH was investigated with using attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy and density functional theory calculations. The effective degradation of organic pollutants in this surface Fenton system was ascribed to the efficient Fe(III)/Fe(II) cycle on the α-FeOOH surface promoted by NH2OH, which was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy analysis. The degradation intermediates and mineralization of alachlor in this surface Fenton system were then systematically investigated using total organic carbon and ion chromatography, liquid chromatography-mass spectrometry, and gas chromatography-mass spectrometry. This study offers a new strategy to degrade organic pollutants and also sheds light on the environmental effects of goethite.

A central issue in understanding photocatalytic water splitting on a stoichiometric or defective nanostructured oxide surface is its adsorption mode and related reactivity. More than just improving the adsorption of water on oxide surfaces, we demonstrate in this work that surface oxygen vacancies (OVs) also offer a possibility of activating water toward thermodynamically enhanced photocatalytic water oxidation, while the water activation state, as reflected by its capability to trap holes, strongly depends on the structures of OVs. Utilizing well-ordered BiOCl single-crystalline surfaces, we reveal that dissociatively adsorbed water on the OV of the (010) surface exhibits higher tendency to be oxidized than the molecularly adsorbed water on the OV of the (001) surface. Analysis of the geometric atom arrangement shows that the OV of the BiOCl (010) surface can facilitate barrierless O–H bond breaking in the first proton removal reaction, which is sterically hindered on the OV of the BiOCl (001) surface, and also allow more localized electrons transfer from the OV to the dissociatively adsorbed water, leading to its higher water activation level for hole trapping. These findings highlight the indispensable role of crystalline surface structure on water oxidation and may open up avenues for the rational design of highly efficient photocatalysts via surface engineering.

In this study, we demonstrate that protocatechuic acid (PCA) can significantly promote the alachlor degradation in the Fe(III)/H2O2 Fenton oxidation system. It was found that the addition of protocatechuic acid could increase the alachlor degradation rate by 10 000 times in this Fenton oxidation system at pH = 3.6. This dramatic enhancement of alachlor degradation was attributed to the complexing and reduction abilities of protocatechuic ligand, which could form stable complexes with ferric ions to prevent their precipitation and also accelerate the Fe(III)/Fe(II) cycle to enhance the ·OH generation. Meanwhile, the Fe(III)/PCA/H2O2 system could also work well at near natural pH even in the case of PCA concentration as low as 0.1 mmol/L. More importantly, both alachlor and PCA could be effectively mineralized in this Fenton system, suggesting the environmental benignity of PCA/Fe(III)/H2O2 Fenton system. We employed gas chromatography–mass spectrometry to identify the degradation intermediates of alachlor and then proposed a possible alachlor degradation mechanism in this novel Fenton oxidation system. This study provides an efficient way to remove chloroacetanilide herbicides, and also shed new insight into the possible roles of widely existed phenolic acids in the conversion and the mineralization of organic contaminants in natural aquatic environment.

In this study, core–shell Fe@Fe2O3 nanowires with different iron oxide shell thickness were synthesized through tuning water-aging time after the reduction of ferric ions with sodium borohydride without any stirring. We found that these Fe@Fe2O3 nanowires exhibited interesting core–shell structure dependent reactivity on the aerobic degradation of 4-chlorophenol. Characterization results revealed that the core–shell structure dependent aerobic oxidative reactivity of Fe@Fe2O3 nanowires was arisen from the combined effects of incrassated iron oxide shell and more surface bound ferrous ions on amorphous iron oxide shell formed during the water-aging process. The incrassated iron oxide shell would gradually block the outward electron transfer from iron core for the subsequent two-electron molecular oxygen activation, but more surface bound ferrous ions on iron oxide shell with prolonging aging time could favor the single-electron molecular oxygen activation, which was confirmed by electron spin resonance spectroscopy with spin trap technique. The mineralization of 4-chlorophenol was monitored by total organic carbon measurement and the oxidative degradation intermediates were analyzed by gas chromatography–mass spectrometry. This study provides new physical insight on the molecular oxygen activation mechanism of nanoscale zerovalent iron and its application on aerobic pollutant removal.

Nano zero-valent iron (nZVI) has attracted much more attention for its potential applications in the fields of environmental contaminant remediation and detoxification.