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导读
近日，华东理工大学化学与分子工程学院邢明阳教授团队以自由投稿方式在国际权威学术期刊《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America, PNAS）上，发表了题为“Single-atom Mo–Co catalyst with low biotoxicity for sustainable degradation of high-ionization-potential organic pollutants”的研究论文。
有机废水处理已成为人类社会可持续发展中日益重要的问题。化石燃料的耗竭、环境污染、水资源短缺等因素促使人们努力实现废水的可持续处理。单原子催化剂（SACs）以其出色的化学和物理性质，正迅速崛起为环境催化化学的新兴领域。在Fenton和类Fenton环境化学领域，SACs已被广泛用于提高H2O2、过一硫酸氢盐（PMS）等氧化剂的活化效率。然而，以SAC催化剂Co-N-C为例，Co-N-C与PMS反应后产生的≡Co(Ⅲ)需要消耗更多的PMS以维持钴离子的缓慢循环，而钴上电子的损耗更容易造成钴离子的溶出（钴离子具有强生物毒性）。由于PMS型类Fenton体系中Co位点的还原和氧化速率相差近30倍，这会导致Co位点上电子的持续流失，并严重阻碍活性氧物种（ROSs）的可持续生成与利用。另一方面，有机废水中有机污染物的电离电势（IP）越高，其电离最外层电子所需要的能量就越大，从而导致高IP有机污染物难以被氧化降解。
为了克服上述难题，邢明阳教授团队通过构建低细胞毒性Mo-Co双位点单原子催化剂（SAMCC0.5），实现了类芬顿可持续高效降解苯酚、对苯二甲酸、对硝基氯苯等高IP有机污染物。如图A-D所示，以1,10-邻菲咯啉、Co(CH3COO)2和(NH4)2MoO4为前驱体，采用室温下配位自组装再高温热解的方法得到Mo-Co双金属SACs催化剂SAMCC0.5。图E降解苯酚的实验结果表明，在添加PMS的情况下，苯酚的降解速率在3分钟内即可达到78%；而在不添加PMS的情况下，反应液中苯酚的浓度并没有下降。在3分钟内，Co-N-C-PMS体系仅能使苯酚的去除率达到28%。在使用与SAMCC0.5中相同当量的Co元素的Co(Ac)2和CoCl2为催化剂时，苯酚的降解效率并不高。SAMCC0.5-PMS体系的表观动力学常数是CoCl2-PMS体系的19.4倍。即使将CoCl2浓度增加到相同当量的20倍，CoCl2-PMS体系中苯酚的降解速率仍不及SAMCC0.5-PMS体系。密度泛函理论计算结合实验结果证实（图F），SAMCC0.5中的Mo位点更容易吸附有机污染物并介导有机物电子向Co位点转移，促进了PMS的持续活化。图G测试了SAMCC0.5-PMS在极端pH条件下的抗无机盐干扰能力。令人惊讶的是，无论是在pH = 1或是pH = 13的环境中，SAMCC0.5-PMS体系中苯酚的去除率几乎没有受到影响。因此，即使在极端pH条件下，SAMCC0.5-PMS体系仍然具有优异的抗阴离子及无机盐干扰能力。如图H和I所示，Mo介导的有机污染物电子转移机制不仅有效抑制了Co和Mo的溶出降低催化剂毒性，还提高了降解高IP（8.5～9.8 eV甚至更高）有机污染物的效率。该研究对未来设计绿色高效的单原子类芬顿催化剂用于水污染控制具有重要指导意义。
该论文以华东理工大学为唯一通讯单位，化学学院博士研究生陈撰、生物工程学院安法梁副教授为共同第一作者，化学学院邢明阳教授为唯一通讯作者。同时非常感谢欧洲科学院院士张金龙教授的指导。该工作得到了费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305933120
来源：华东理工大学
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