上海交通大学罗金明Nature Communications｜非金属碘单原子催化剂活化PMS降解环丙沙星

转 自：环境工程与科学

1月18日，上海交通大学罗金明副教授课题组 在Nature Communications上在线发表了题为 “ Non-metallic iodine single-atom catalysts with optimized electronic structures for efficient Fenton-like reactions ” 的研究论文，提出了碘单原子催化剂活化PMS促进单线态氧生成降解环丙沙星。

基于 PMS 的高级氧化工艺（PMS-AOPs）能够在较宽的 pH 值范围内产生高活性氧物种（ROS），且易于处理、储存和运输氧化剂，因此已成为前景广阔的水净化技术。PMS 的活化通常始于 PMS 分子在催化剂表面的吸附，随后催化形成各种活性物种，包括自由基（如羟基自由基、硫酸根自由基和超氧自由基）和非自由基（如 ¹ O ₂ 和高价金属氧物种）。不过，自由基的功效会受到水中阴离子和有机物的干扰，这在很大程度上降低了 PMS 的利用率，并可能导致形成不良的卤代副产物。相比之下，非自由基途径则提供了选择性强且稳健的氧化机制，尤其是 ¹ O ₂ ，由于其特异性、长效性和对基质成分的耐受性，可以选择性地降解污染物。

本研究开发了一种高效的非金属碘单原子催化剂（SAC），简称 I-NC，它被战略性地限制在掺氮碳支架（NC）中。这种配置具有独特的 C-I 配位，优化了氮相邻碳位点的电子结构。因此，这种排列方式增强了过一硫酸根（PMS）向活性位点，特别是缺电子碳位点的电子转移。电子转移后的去质子化过程会产生过一硫酸根（SO ₅ ^•− ）。随后， SO ₅ ^•− 自由基发生歧化反应，产生单线态氧（ ¹ O ₂ ）。此外，与 NC 支架中的 1.65 eV 相比，I-NC 中 SO ₅ ^•− 生成限速步骤的能垒（1.45 eV）明显降低。能垒的降低有效克服了动力学障碍，从而促进了 ¹ O ₂ 的生成。因此，I-NC 催化剂在活化 PMS 方面表现出显著的催化效率和无与伦比的反应活性。与其他金属 SAC 相比，I-NC 催化剂具有相对较高的动力学速率常数（k _obs ~ 0.436 min ^-1 ），从而大大加快了污染物的降解速度。这项研究为合理设计有效的非金属 SAC 提供了宝贵的见解，展示了它们在水处理应用中进行类似芬顿反应的巨大潜力。

声明：本公众号仅用于分享前沿学术成果，无商业用途。如涉及侵权，请联系 公众号后台 删除！