浙江大学徐江团队，最新Nature Water：公斤级单原子催化剂破解抗生素废水难题！

抗生素的广泛使用在改善人类健康的同时，也带来了严峻的环境隐患。大量抗生素残留通过制药废水进入自然水体，不仅难以被传统污水处理工艺彻底去除，还会诱导细菌耐药性的扩散，形成长期生态风险。近年来，依赖“非自由基路径”的高级氧化技术被认为是精准、高效降解抗生素的理想方案，而单原子催化剂因其极高的原子利用率和反应选择性，成为该领域的研究热点。然而，一个长期困扰学界与产业界的现实问题始终存在：单原子催化剂几乎都停留在毫克到克级实验室规模，难以放大生产，更难进入真实工程体系。

近日，浙江大学环境与资源学院徐江研究员团队提出一种“级联固定自组装策略”，首次实现了单原子催化剂从克级到公斤级的通用化制备，并在真实抗生素废水中完成连续流验证。该策略不仅保持了单原子位点的高度分散，还实现了高达6–14 wt% 的金属负载量与近100%单线态氧（¹O₂）选择性生成。更重要的是，研究系统揭示了铁单原子在合成与催化过程中的动态演化机制，证明该材料在工业化条件下兼具稳定性、经济性与环境友好性，为单原子催化真正“走出实验室”提供了可复制的技术范式。相关成果以“Universal scalable production of single-atom catalysts for antibiotic wastewater treatment”为题发表在《Nature Water》上。第一作者为Xunheng Jiang。

研究首先直面一个老问题：为什么单原子一放大就“失控”？在传统做法中，铁源与三聚氰胺直接高温热解，铁原子在熔融过程中极易迁移并团聚，最终形成氧化铁纳米颗粒，而不再是理想的单原子位点（图1a–c）。这也是过去单原子催化剂难以规模化的根本原因。

为此，团队引入了“级联固定”的设计思路（图1d）。在高温之前，研究者先用草酸对Fe³⁺进行强配位固定，再利用氢键作用，将铁配合物、三聚氰胺和氰尿酸自组装成有序超分子结构。这样一来，铁原子在热解前就被“预先锁定”在空间网络中。无论是克级还是公斤级制备，XRD、STEM 和元素分布结果都显示铁元素高度均匀分散，几乎看不到任何纳米颗粒的踪迹（图1h–i）。最终，研究者成功制备出超过1公斤的Fe₁/CN单原子催化剂，铁源利用率接近100%，为后续放大奠定了基础（图1j）。

图1：级联固定策略实现公斤级Fe单原子催化剂的合成与结构表征

有了稳定的合成框架，研究并未止步于铁。团队进一步验证了该策略的“通用性”。通过简单更换金属盐与配体，研究者成功将该方法拓展至钴、镍、锰、铜、银等多种过渡金属，并进一步实现了Fe–Cu、Fe–Ag 等双原子催化剂的公斤级制备（图2a–b）。高分辨HAADF-STEM图像清晰显示，所有金属体系均保持原子级分散，没有出现金属–金属配位信号（图2c–h）。EXAFS结果进一步证实，这些催化剂均以稳定的金属–氮配位结构存在（图2i–k）。在金属负载量方面，该工作实现了6–14 wt%的突破，明显高于已有报道和商业化单原子产品（图2l），显示出强烈的产业潜力。

图2：多种单原子与双原子催化剂的通用公斤级制备与原子分散验证

规模化往往伴随性能衰减，但这一问题在该体系中被成功避免。研究团队选取四种高使用量抗生素作为模型污染物，对不同制备规模的Fe₁/CN进行对比测试。结果显示，从克级到公斤级样品，其单位活性位点反应速率几乎一致，且均能在30–60分钟内实现完全降解（图3a）。更关键的是反应机理并未“跑偏”。捕获实验与EPR结果一致表明，所有体系几乎100%通过单线态氧（¹O₂）进行非自由基氧化（图3b）。进一步的理论计算揭示，Fe–N₄位点能够稳定生成SO₅•⁻中间体，进而高选择性地产生¹O₂（图3f–h）。这意味着，即便在公斤级放大条件下，催化剂依然保持着实验室级别的“精细化学反应控制”。

图3：不同规模Fe₁/CN在抗生素降解中的一致活性与近100%¹O₂选择性

为了弄清楚为何放大后仍能保持性能一致，研究团队引入原位X射线吸收谱，对铁原子在合成和反应全过程中的状态变化进行了追踪（图4a）。结果发现，无论制备规模如何，铁原子在热解后均形成稳定的Fe–N₄配位结构，且不存在铁–铁相互作用（图4b–c）。在催化反应过程中，铁位点会短暂形成轴向配位氧的Fe–N₄–O结构，随后又可逆恢复为初始状态（图4h–i）。这种可逆的结构呼吸行为，正是高选择性¹O₂生成和长期稳定运行的关键，也解释了该体系为何能够抑制“放大效应”。

图4：铁单原子在合成与反应过程中的原位结构演化机制

最终，研究将材料带入真实应用场景。团队构建了近工业级连续流反应器，用于处理制药厂沉淀池废水（图5b）。结果显示，在1200分钟连续运行中，抗生素去除率始终接近100%，铁流失率不足3%（图5f）。更令人关注的是成本核算结果：在50升真实废水测试中，所需催化剂用量极低，折算处理成本约为0.20美元/吨水（图5j）。技术经济与生命周期评估均表明，该工艺在成本和环境负担上均优于现有方案，为产业化落地扫清了现实障碍。

图5：连续流真实抗生素废水处理性能与技术经济评估

小结

这项研究首次系统性地回答了“单原子催化剂如何真正规模化”这一长期悬而未决的问题。通过级联固定自组装策略，研究团队不仅实现了公斤级制备，更在真实废水中验证了其稳定、高效与经济性。可以预见，这种从分子设计到工程验证一体化的研究范式，将推动单原子催化从“概念材料”迈向“工业材料”，并为抗生素废水治理乃至更广泛的环境催化应用打开新的可能。