🔬 研究背景

在环境污染治理和高级氧化技术（AOPs）领域，过一硫酸盐（PMS）由于其在广泛pH范围内的高效氧化能力，受到广泛关注。单原子催化剂（SACs），特别是Fe-N₄催化剂，在PMS活化中表现出优异的催化性能。然而，当前Fe-N₄位点的主要挑战在于：

1. 活性-稳定性权衡困境
   传统的N位点调控虽然提升了PMS活化能力，但会破坏Fe-N₄的对称性，导致稳定性下降。
2. Fe⁴⁺=O氧化活性受限
   高价铁氧物种（Fe⁴⁺=O）是关键的氧化中间体，但其反应活性仍需进一步增强。

💡本研究创新性地提出在Fe-N₄催化剂的第二配位壳（second coordination shell）中引入氧掺杂（O doping），以Fe-N₄-C₆O₂ SAC为代表，实现高效PMS活化和增强Fe⁴⁺=O的氧化反应性。

✨ 研究亮点

✅创新材料设计：氧掺杂Fe-N₄-C₆O₂ SAC，增强局部电场，保持对称性，提高稳定性，解决活性-稳定性权衡问题。
✅卓越催化性能：

• Fe-N₄-C₆O₂在PMS活化中展现出240小时稳定运行，比传统Fe-N₂O₂-C₁₀催化剂提升4倍。
• Fe⁴⁺=O反应性提升41.6倍
  ，显著提高污染物降解效率。 ✅深度机理解析：结合DFT计算+X射线吸收光谱（XAS）+EPR分析，揭示氧掺杂如何调控电子结构，降低Fe⁴⁺=O的σ*轨道能量，提高其亲电攻击能力。

📊 关键实验数据解析

📌 Figure 1：Fe-N₄-C₆O₂ SAC的合成与表征

🔹催化剂设计思路：

• 采用预配位策略（pre-coordination strategy），精准控制Fe-N₄位点的氧掺杂位置。
• 合成两种氧掺杂结构：
• Fe-N₂O₂-C₁₀（第一配位壳氧掺杂）
• Fe-N₄-C₆O₂（第二配位壳氧掺杂）

• 透射电子显微镜（TEM）和高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）表明Fe-N₄-C₆O₂ SAC中Fe原子呈均匀分散状态。
• X射线吸收光谱（XAS）证实：Fe-N₄-C₆O₂的电子密度降低，提升了Fe-N键强度，提高结构稳定性。

📌 Figure 3：PMS活化与Fe⁴⁺=O形成机理

🔹Fe-N₄-C₆O₂的PMS活化路径：

• DFT计算表明，氧掺杂导致Fe中心电子密度降低，增强Fe-N键的稳定性。
• 相比Fe-N₄-C₁₀，Fe-N₄-C₆O₂能够更高效地活化PMS，生成Fe⁴⁺=O
  ，并抑制过度氧化副反应。

🔹Fe⁴⁺=O的氧化能力提升41.6倍：

• Fe-N₄-C₆O₂中Fe⁴⁺=O的σ*轨道能量降低（-2.636 eV vs -1.986 eV），促进了污染物的σ攻击。
• 通过电子顺磁共振（EPR）发现，Fe-N₄-C₆O₂的Fe⁴⁺=O具有更强的氧化活性。

📌 Figure 4：污染物降解性能

🔹降解速率测试：

• 以双酚A（BPA）为目标污染物，Fe-N₄-C₆O₂在30秒内即可完全降解BPA，其一级反应速率常数（k）高达13.299 min⁻¹。
• 相较于其他催化剂（Fe-N₂O₂-C₁₀、Fe-N₄-C₁₀、Fe NPs/NC），Fe-N₄-C₆O₂的BPA降解速率提升7-8倍。

🔹广谱污染物降解能力：

• 电子富集污染物（如苯酚、氯酚等）可在1.5分钟内完全降解，表现出卓越的选择性。

🔹长期稳定性：

• Fe-N₄-C₆O₂在240小时连续运行后，活性保持稳定，铁流失率仅8%，远低于Fe-N₂O₂-C₁₀（67.4%）。

🔎 研究小结

📌Fe-N₄-C₆O₂ SAC在保持高活性的同时，大幅提高了结构稳定性，突破了传统Fe-N₄ SAC在PMS活化中的活性-稳定性权衡问题。
📌氧掺杂策略可优化Fe⁴⁺=O电子结构，提高其氧化反应性，从而提升污染物降解速率。
📌长期稳定性出色，在环境催化应用中具有极大的潜力。

🚀 研究启发与未来展望

💡如何进一步优化Fe⁴⁺=O的反应性？

• 通过调整氧掺杂浓度，探索Fe⁴⁺=O在不同电子环境下的催化活性变化。
• 引入其他调控手段（如C空位、磷掺杂）
  ，进一步优化电子结构。

💡是否可拓展至其他高级氧化体系？

• Fe-N₄-C₆O₂的氧掺杂策略是否可用于其他AOPs，如O₃、H₂O₂等？
• 该催化剂是否可在光催化、电催化等体系中展现同样的活性提升？

💡产业化前景如何？

• Fe-N₄-C₆O₂是否可在实际污水处理、药物降解等工业应用中保持稳定性能？
• 如何优化催化剂的制备工艺，降低成本，提高可持续性？

📖 文章信息

📌论文标题："Robust Fe-N₄-C₆O₂ single atom sites for efficient PMS activation and enhanced Fe⁴⁺=O reactivity"
📌作者：Tiantian Chen, Ganbing Zhang, Hongwei Sun, Yetong Hua, Shu Yang, Dandan Zhou, Haoxin Di, Yiling Xiong, Shenghuai Hou, Hui Xu, Lizhi Zhang
📌发表期刊：Nature Communications (2025)
📌DOI：10.1038/s41467-025-57643-7

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