近日，郭婉茜教授课题组在环境领域权威期刊Water Research上发表了题为“How hetero-single-atom dispersion reconstructed electronic structure of carbon materials and regulated Fenton-like oxidation pathways”的研究论文。该文章强调了单原子催化剂（SACs）中载体材料的重要催化角色。研究发现异种SACs能够在低金属负载水平下实现有机污染物的超快速类芬顿氧化去除。由此探究了异种金属原子分散对载体碳材料电子结构的重塑作用，并指出金属原子位点不再充当催化反应的中心，而是主要作为碳材料本征催化活性的调控因子。进一步通过与单一金属体系对比研究，揭示了金属位点局域电子密度与高价金属氧物种（HVMO）生成、电子转移机制（ETP）之间的内在关系。
金属位点通常被认为是SACs驱动类芬顿氧化降解水中有机污染物的反应中心，而其中金属负载对载体材料本征催化活性的影响却鲜有报道关注。本研究通过异种单原子分散实现了对碳材料类芬顿活性的有效增强。利用Fe、Co原子的化学势差异触发了sp2共轭结构长范围电荷重排，产生更多富电子微区，促进过硫酸盐（PMS）表面复合体形成，从而强化污染物的ETP降解过程。得益于金属位点作为调控因子而碳材料作为催化反应的主体，实现了在低金属含量下获取高催化性能及降低金属浸出风险的目标。有趣的是，研究表明金属位点局域电子密度决定了在复合体分解过程中是否涉及HVMO的生成。区别于单一金属体系中金属位点位于富电子区域内，异种单原子分散能够驱使电子密度云与金属位点偏离，从而阻碍复合体内金属的原位氧化，最终减少了HVMO的氧化贡献。这些发现为碳基SACs的开发提供了新思路，同时深化了对类芬顿水处理过程中非自由基机理的认识。
实验室郭婉茜教授团队王华哲助理教授为论文的通讯作者，刘诗雨博士为第一作者，重点实验室为通讯单位。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121417。
