近日，课题组董雄波博士后在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Mineral modulated single atom catalyst for effective water treatment”的研究论文。
引言
基于过一硫酸盐（PMS）的类芬顿高级氧化技术，可通过活化PMS产生强氧化性自由基，实现难降解有机污染物的高效深度净化。与传统芬顿高级氧化技术相比，其具有效率高、适用范围广、稳定性好等优势，在污水处理领域展现了良好的应用前景。目前，研发高效稳定活化PMS的催化材料是推动该技术广泛应用的关键。单原子催化剂（SACs）在活化PMS中表现出了极高的效率。然而，单原子催化剂配位环境对活化PMS的影响机制仍不明确，其配位环境优化及多孔结构调控仍存在挑战。
文章要点
要点一：天然矿物在单原子钴催化剂配位环境及多孔结构调控中的重要作用
硅藻土作为一种天然矿物，主要由无定形二氧化硅组成，通常为圆盘状、柱状等，具有典型的分级多孔结构，已作为催化剂载体或模板得到了广泛关注。该工作首次以天然矿物（硅藻土）为模板，通过盐酸多巴胺自聚合、高温热解、刻蚀等步骤，合成了具有圆盘、多孔结构的单原子钴催化剂。与此同时，在高温热解过程中，硅藻土作为硅源进入了单原子钴的配位环境，形成了CoSi1N3原子配位结构。
图1. 天然矿物基单原子钴催化剂的微观结构
图2. 天然矿物基单原子钴催化剂的配位环境
要点二：天然矿物基钴单原子催化剂展现优异的活化PMS性能
与具有CoN4原子结构的单原子钴催化剂相比，天然矿物调控配位环境后，对PMS的活化性能得到了显著提升，其单位钴原子的TOF高达299.8 min-1，超过了现有报道的绝大多数纳米或单原子催化剂。同时，该催化剂展现了优异的重复使用性及环境适用性。
图3. 天然矿物基单原子钴催化剂活化过一硫酸盐性能及过程机制
要点三：天然矿物对单原子钴催化剂配位环境及性能的调控机制
采用理论建模和结合能计算，优化了天然矿物基单原子钴催化剂的几何结构。在此基础上，对比计算了不同活性位点（CoN4及CoSi1N3）与PMS分子之间的吸附、结合及电子转移特性。结果表明，硅取代氮进入单原子钴催化剂配位环境后，其活性中心的电负性显著降低，加速了PMS与单原子钴活性位点之间的吸附及电子转移，进而提升了单原子钴催化剂活化PMS降解污染物的性能。
图4. 天然矿物对单原子钴催化剂配位环境及性能的调控机制
该工作表明，天然矿物（硅藻土）不仅可以作为分级多孔单原子钴催化剂的模板，充分暴露催化剂的活性位点，还可以作为硅源，在高温热解过程中部分取代氮原子进入单原子钴的配位环境（CoSi1N3），降低CoN4活性中心的电负性，促进PMS与活性位点之间的吸附、结合及电子转移，进而显著提升PMS的活化效率。