南昌航空大学邓芳教授ACB|污染物变“催化剂”:单原子铁活化PMS的电子调控新策略

3月31日，南昌航空大学邓芳教授在Applied Catalysis B: Environmental and Energy在线发表了题为“Beyond passive degradation: Pre-adsorbed pollutants as electronic modulators for enhanced PMS activation on single-atom iron sites”的研究论文，提出了单原子铁催化剂预吸附污染物协同活化过一硫酸盐促进其降解的新策略。

水体中难降解有机污染物的持续存在推动了对高级氧化工艺的深入研究。基于过一硫酸盐的高级氧化工艺因其高氧化潜力而被认为极具前景，但开发高效的活化策略仍面临重大挑战。传统的多相催化剂由于过一硫酸盐分子中O-O键断裂所需活化能较高（通常为60–100 kJ/mol），往往反应动力学缓慢。这一能量壁垒不仅限制了降解效率，还导致需要过量投加氧化剂或外部能量输入，从而影响了基于过一硫酸盐的水处理技术的经济可行性。

本研究提出了一种新颖的“污染物触发催化”模式，与将污染物视为被动处理对象的传统策略不同，该模式利用预吸附的污染物作为电子调控剂，优化锚定在多孔氮化碳上的单分散铁单原子对过一硫酸盐的活化，用于水体修复。通过结合催化测试、光谱分析和密度泛函理论计算，阐明了预吸附的富电子4-氯酚对铁位点电子构型及过一硫酸盐活化机制的影响。预吸附污染物增强了铁位点的巴德电荷转移，并使铁3d带中心上移，从而强化了过一硫酸盐的吸附，降低了活化能垒，将主导反应路径转向Fe(IV)=O和单线态氧而非自由基，实现了15分钟内100%去除4-氯酚，反应速率较原始铁单原子催化剂提升了5.34倍。研究结果表明，底物诱导的单原子铁位点电子调控是调控活性物种生成、提升催化性能的有效途径。通过重新定义污染物作为活性电子调控剂，这项工作为可持续水体修复提供了一个可扩展的新范式，同时提升了氧化能力和环境适用性。

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