清華新聞網(wǎng)10月16日電 單原子催化劑因其高原子利用效率和精準(zhǔn)可控的活性位點(diǎn)，在非均相臭氧催化氧化污水深度處理領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院張瀟源副教授課題組在非對(duì)稱(chēng)配位單原子催化臭氧進(jìn)行污水深度處理領(lǐng)域取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)基于短程配位效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱(chēng)配位的Fe-N3P1單原子位點(diǎn)，在原子級(jí)層面闡明了非對(duì)稱(chēng)配位單原子催化臭氧的基本反應(yīng)路徑，實(shí)現(xiàn)了污水中難降解有機(jī)污染物的深度削減。
單原子引發(fā)的非均相臭氧催化氧化是一種有效且有前景的污水深度處理技術(shù)，然而傳統(tǒng)M-N4位點(diǎn)的高度對(duì)稱(chēng)性使得過(guò)渡金屬中心d軌道能級(jí)分裂模式固定，電子結(jié)構(gòu)難以靈活調(diào)節(jié)，限制了其催化效率的進(jìn)一步提升。張瀟源課題組基于短程配位效應(yīng)調(diào)控單原子鐵位點(diǎn)的局域微環(huán)境，開(kāi)發(fā)了一種具有Fe-N3P1位點(diǎn)的非對(duì)稱(chēng)配位單原子鐵催化劑（Fe-NPC）。與對(duì)稱(chēng)的Fe-N4結(jié)構(gòu)相比，F(xiàn)e-N3P1位點(diǎn)展現(xiàn)出更優(yōu)異的臭氧催化氧化性能。Fe-NPC/O3體系可實(shí)現(xiàn)污染物對(duì)羥基苯甲酸的100%去除，動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.123min?1，同時(shí)對(duì)煤化工廢水展現(xiàn)出高效深度處理效果，出水COD低至50mg/L以下。污染物的降解主要依賴(lài)于臭氧的直接氧化和單線(xiàn)態(tài)氧的間接氧化。采用原位表面增強(qiáng)拉曼光譜識(shí)別了關(guān)鍵表面吸附中間體（*O，*O2），而密度泛函理論計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬為臭氧解離和非自由基活性氧物種生成機(jī)制提供了原子水平的見(jiàn)解。Fe-N3P1位點(diǎn)中的Fe原子為分解臭氧和生成活性氧物種的主要活性位點(diǎn)，雜原子P的短程配位可有效調(diào)節(jié)單原子鐵的電子結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)對(duì)臭氧和有機(jī)污染物的吸附。該項(xiàng)工作展現(xiàn)了短程配位工程對(duì)單原子幾何和電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控潛力，揭示了非對(duì)稱(chēng)配位單原子位點(diǎn)催化臭氧的內(nèi)在反應(yīng)機(jī)制，對(duì)新型非均相臭氧催化劑的設(shè)計(jì)具有重要意義。
非對(duì)稱(chēng)配位單原子鐵臭氧催化劑的設(shè)計(jì)及催化臭氧反應(yīng)過(guò)程
研究成果以“磷誘導(dǎo)破壞單原子鐵配位對(duì)稱(chēng)性實(shí)現(xiàn)高效臭氧催化氧化”（Phosphorus-induced single-atom iron coordination symmetry disruption for superior catalytic ozonation）為題，于10月10日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院副教授張瀟源為論文通訊作者，太原理工大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院副教授任騰飛（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2024屆博士畢業(yè)生）為論文第一作者。論文共同作者包括清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授黃霞、南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授苗潔、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2024屆碩士畢業(yè)生盧科潮、太原理工大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院2024級(jí)碩士生陶峰、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2024級(jí)博士生任航、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2021級(jí)博士生晏妮。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-64099-2
供稿：環(huán)境學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
