持久性有機污染物長期殘留在水體中，不僅危害生態(tài)環(huán)境，也威脅人類健康。光催化技術(shù)因其環(huán)境友好性與零額外能耗特性，在水處理領(lǐng)域備受關(guān)注。在這類技術(shù)中，“單原子催化劑”（SACs）因其100%原子利用率，被認為是提升效率的理想材料。但傳統(tǒng)的對稱結(jié)構(gòu)（比如常見的M-N4）內(nèi)部電場較弱，限制了電子的轉(zhuǎn)移和傳輸。此外，光催化反應(yīng)機制復(fù)雜度高于電/熱催化體系，SACs需克服光吸收空間異質(zhì)性、載流子局域化及多活性位點協(xié)同等挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計具有“非對稱結(jié)構(gòu)”的新型單原子催化劑，并深入理解其中的反應(yīng)機制，已成為推動高效光催化凈水技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一步。
為此，澳大利亞桂冠學(xué)者王少彬教授領(lǐng)銜，西澳大學(xué)張金強研究員聯(lián)合江蘇大學(xué)王帥軍博士采用“限域配體”策略，在氮化碳材料上構(gòu)建新型配位環(huán)境（Co-C2N3）的鈷單原子催化劑（CoSA-CN-20），其結(jié)構(gòu)具備“非對稱配位”和“多活性位點”兩大特點。這種設(shè)計加速了電子和空穴的分離效率，實現(xiàn)了兩段動力學(xué)污染降解機制，大幅提升了污水凈化能力。
在可見光照射下，CoSA-CN-20在60分鐘內(nèi)可降解98.6%的雙酚A（BPA），顯示出極高的凈化效率。研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過程遵循“兩段式動力學(xué)”，其二級反應(yīng)速率常數(shù)較純g-C3N4提升114倍，遠超常見對稱結(jié)構(gòu)的單原子催化劑。在連續(xù)流水處理體系中，CoSA-CN-20展現(xiàn)出長達10小時的穩(wěn)定污水處理能量，污染物的去除率始終保持在93.2%左右，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和應(yīng)用潛力。 原位表征結(jié)合理論計算表明熱電子和O2易于集中在Co-C2N3位點，而空穴和BPA則主要聚集在基底表面。原位紅外光譜進一步揭示BPA在反應(yīng)過程中的實時變化軌跡，明確了一個由“非對稱結(jié)構(gòu)”引發(fā)的雙階段反應(yīng)機制：在第一階段，光照激發(fā)產(chǎn)生的空穴直接將BPA氧化；第二階段中，電子被引導(dǎo)至Co-C2N3位點，激活O2生成超氧自由基，與熱空穴協(xié)同作用實現(xiàn)污染物的深度礦化。該工作從原子尺度闡明了配位對稱性調(diào)控催化劑電子結(jié)構(gòu)的本質(zhì)規(guī)律，建立了"結(jié)構(gòu)不對稱性-載流子行為-反應(yīng)動力學(xué)"的因果關(guān)系鏈，為設(shè)計新型環(huán)境催化材料提供了理論框架與技術(shù)范式。 論文信息 Asymmetric Coordination in Cobalt Single-Atom Catalysts Enables Fast Charge Dynamics and Hierarchical Active Sites for Two-Stage Kinetics in Photodegradation of Organic Pollutants Xiaoming Liu, Yang Zhang, Puhua Sun, Dr. Fengting He, Yuzhao Wu, Dr. Shuaijun Wang, Prof. Shaobin Wang, Dr. Jinqiang Zhang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202507028
