张冠教授课题组Nature子刊：揭示金属-载体电子相互作用为开发高性能电极与水净化提供新思路

　　近日，城乡水资源与水环境全国重点实验室成员张冠教授课题组对原子分散的镍物种在锡锑电极载体上诱导的金属-载体电子相互作用（EMSI）的结构演变和微观界面机制进行了全面研究，首次发现了镍单原子作为共催化位点，表现出对单电子水氧化生成羟基自由基至关重要的“拉H效应”。这些发现为将共催化功能与金属-载体电子相互作用（EMSI）偶联的机制提供了新的见解，并为设计高性能电极材料提供创新策略、为废水净化提供稳健的技术解决方案。该成果以 《单原子诱导的金属-载体电子相互作用调控电催化一电子水氧化助力高效废水净化》“Unlocking single-atom induced electronic metal-support interactions in electrocatalytic one-electron water oxidation for wastewater purification”为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。

基于金属-载体电子相互作用（EMSI）效应的结构演化过程。单原子驱动的金属-载体电子相互作用（EMSI）效应的结构演化过程中，溅射的镍原子经历吸附、扩散、迁移，最终以单原子形式锚定在锡锑氧化物载体内部。

　　随着全球工业化的推进，水资源短缺和污染已成为全球共同关注的环境问题。各种难降解污染物被排放到水环境中，难以通过传统的物理化学和生物处理技术有效降解。电催化氧化工艺是一种有前景的分散式废水净化技术，通过阳极表面的单电子水氧化产生羟基自由基实现难降解有机污染物的无害化处理。然而该工艺的性能主要受到阳极材料在羟基自由基生成效率和选择性方面的限制。优化阳极的结构和组成，增强单电子水氧化产生羟基自由基，对于电催化水净化工艺来说至关重要。

　　该研究使用磁控溅射技术将过渡金属Ni锚定在锡锑电极上（Ni/ATO）以解决上述问题。Ni/ATO电极在废水处理中表现出卓越的电催化性能和最小的环境足迹，全面系统地研究原子分散的Ni物种在锡锑电极载体上诱导的金属-载体电子相互作用（EMSI）效应的结构演变过程和微界面机制，旨在弥合EMSI效应和电催化氧化工艺之间的理论差距。Ni单原子驱动的金属-载体电子相互作用（EMSI）效应显著增强了界面水分子在锡锑电极（Ni/ATO）上的吸附和解离，同时建立了快速的电子转移通道，以促进羟基自由基的高效、选择性生成。在羟基自由基生成过程中，Ni单原子通过“拉H效应”充当共催化位点。这项工作为设计高性能阳极提供了新的理论视角，对于克服电催化水净化领域现有技术瓶颈至关重要。

电催化的微观界面机制。镍单原子驱动的金属-载体电子相互作用（EMSI）效应不仅显著提高了水（H₂O）分子的吸附和离解能力，还建立了快速的电子转移通道，促进了选择性羟基自由基的产生，从而大大提高了整体催化性能。

实际应用潜力和环境足迹。实验结果证实了锡锑电极（Ni/ATO）优异的稳定性、适应性以及低能耗和环境足迹，适用于工业、农业、医疗等领域产生的高盐废水的分散式净化处理。

　　实验室张冠教授为该论文唯一通讯作者，第一作者为深圳校区博士生研究生卢森。该研究是课题组在2023年于美国科学院院刊（PNAS）发表相关研究工作之后的又一重要研究成果，得到了国家自然科学基金、深圳市高校稳定支持项目和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59722-1

图文：张　冠

初审：吴　洁

审核：马　放  田　禹  于虹霞