一、【导读】
在原子尺度精确构筑催化活性位点是提升催化效率的关键。近年来，单原子催化剂因其金属利用率高、位点明确而受到广泛关注。然而，现有单原子体系普遍受限于金属负载量低、位点结构难以调控，且孤立的单原子金属中心易失活缺乏协同效应，从而限制了其进一步提升催化性能的空间。
二、【成果掠影】
基于此，大连海事大学周锋&詹溯联合中国科学院大连化学物理研究所章福祥&祁琨以及齐齐哈尔大学张丹彤等人通过自下而上的构筑策略成功制备出具有CuN2配位结构的偕单原子催化剂，实现了在20.8 wt%负载量下仍保持原子级分散的高密度金属位点。通过CO32-作用下Cu原子形成动态桥联实现了在天然海水与自然光条件下高达3240 μmol g-1 h-1的·OH产量。该论文以《Dynamic Geminal-Atom Coordination for Highly Efficient Photo-Fenton Catalysis》为题目发表在Advanced Materials期刊上。
三、【核心创新点】
该研究报道了一种通过CO32-调控偕单原子催化剂动态配位实现在天然海水中高效光芬顿反应的催化策略。
四、【数据概览】
图1 Cug-CN催化剂的制备与结构表征。
图2 Cug-CN光芬顿活性评估。
图3 CO32-增强芬顿反应机制的机理研究。
图4 CO32-增强芬顿反应机制的DFT计算。
图5实际条件下Cug-CN分解小球藻的应用评估。
图6海洋污染治理中的生命周期评估。
五、【成果启示】
该工作引入了偕单原子结构调控策略，用于在光芬顿体系中构筑具有动态配位特征的Cu基活性中心。在催化材料的构筑方面，Cu位点间精确的原子级间距实现高达20.8 wt%负载下的原子级分散，并使其能够在环境CO32-存在下形成桥联，反应过程中形成可逆的动态配位。在CO32-诱导下进行的光芬顿反应中，CuN2配位结构呈现出随反应过程自发重排的特征，从而将反应路径定向为高效生成·OH的动态配位模式。通过结合原位XAFS与DFT计算，系统解析了偕原子位点在反应过程中的配位变化机制，确定了第二壳层重排在活性增强中的关键作用，并揭示了CO32-参与下的Cu–N–C协同调控效应。实验数据和理论分析进一步强调了Cu偕单原子结构在提升光芬顿效率中的核心地位，并突出了环境阴离子驱动下的动态配位策略在强化活性中心电子结构方面的优越性。该工作实现了在天然海水与自然光条件下3240 μmol g-1 h-1的高·OH生成速率及优异稳定性。我们的研究提供了通过控制局域动态配位来选择性调控反应路径的思路。该动态配位调控策略有望在光催化海洋环境净化、高价值活性物种生成方面得到广泛应用。
原文详情：
第一作者：Yuchen Qiao（乔禹辰）博士
通讯作者：周锋教授（大连海事大学）、詹溯副教授（大连海事大学）、章福祥研究员（中国科学院大连化学物理研究所）、祁琨研究员（中国科学院大连化学物理研究所）、张丹彤教授（齐齐哈尔大学）
通讯单位：大连海事大学、中国科学院大连化学物理研究所、齐齐哈尔大学
论文DOI：10.1002/adma.202518940
本文由乔禹辰供稿
