大連化物所提出鐵基單原子催化劑上非自由基直接生成的新策略

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所能源研究技術平臺穆斯堡爾譜研究組研究員王軍虎團隊和北京師范大學環境與生態前沿交叉研究院教授敖志敏團隊合作，發現了FeN₄位點上活化過硫酸鹽（PMS）直接生成單線態氧（¹O₂）的反應路徑，以及其對污染物的高效降解特性，為深入理解類芬頓反應非自由基路徑的產生及其調控提供了新策略。

大連化物所提出鐵基單原子催化劑上非自由基直接生成的新策略

　　由于水質情況復雜，各種無機陰離子或高濃度有機物對類芬頓反應中自由基基團具有猝滅作用，限制了其在實際廢水處理中的應用。非自由基主導的體系可以有效地克服上述限制，不受廣泛存在的水中各種基質干擾，對污染物的降解表現出高活性。單線態氧作為典型的非自由基基團，具有存活時間長，抗干擾性強等特點，但一直以來，對于其如何通過PMS活化產生的路徑存在爭議。

　　本工作中，合作團隊通過簡單的焙燒，制備了含單原子鐵Fe-NC和鐵氧化物/金屬鐵納米簇的類芬頓催化劑。研究發現，即使在高鹽度、高濃度腐植酸和寬pH值范圍內（無機鹽離子濃度為100mM，腐殖酸濃度為100mg/L，pH為4至9），合成的催化劑仍可以在活化PMS氧化難降解污染物的過程中發揮作用，表現出了優異的環境耐受性。淬滅實驗與電子順磁共振光譜分析確認，¹O₂為主要活性物質，它直接產生在與PMS末端O原子結合的FeN₄（吡啶）構型上。此外，實驗結果和密度泛函理論（DFT）計算也說明了¹O₂直接生成過程的有效性和合理性，¹O₂是由吸附的HSO₅^-上的兩個O 原子伴隨著兩個HSO₄^-離子的形成而產生的。本項研究利用單原子催化位點探究單線態氧的生成路徑，為深入理解類芬頓反應非自由基路徑的產生及其調控提供了新策略。

　　相關成果以“Mechanical insight into direct singlet oxygen generation pathway: Pivotal role of FeN₄ sites and selective organic contaminants removal”為題，發表在Applied Catalysis B: Environmental上。該工作的共同第一作者是大連化物所博士研究生張亮和廣東工業大學碩士研究生孫蕓。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院國際伙伴計劃等項目的資助。

　　相關鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123130

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