通讯作者：曾光明 教授、程敏 副教授

第一作者：刘宏达（2023级博士生）

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2026.142297

全文速览

在金属有机框架（MOF）衍生的单原子催化剂（SACs）中，热解后的有机配体既充当碳前驱体，又为金属中心提供配位壳层。因此，通过明智地选择含有吡啶氮（2-甲基咪唑）或含氧（对苯二甲酸）等基团的有机连接子，可以轻松“编码”最终单原子位点的配位微环境。遵循这一连接子编码原理，我们在 MOF 内定制了这些有机连接子，构建了两种具有不同最佳铁负载量（分别为 0.94% 和 0.03%）的单原子催化剂（70-Fe-ZIF-8–900和 8-Fe-MOF-5–900），从而实现了对结构形态和配位环境的精确控制。值得注意的是，尽管 8-Fe-MOF-5–900 (Fe-C₁O₃位点)的铁负载量极低，但在过一硫酸盐 (PMS) 体系中，其酚类降解活性却比 70-Fe-ZIF-8–900高出2.69倍，这凸显了其卓越的原子利用效率。经过优化的电子构型，其特征在d带中心升高以及铁周围电子密度增加，增强了PMS的活化，并诱导了单线态氧驱动的机理。定量结构-活性关系模型揭示了8-Fe-MOF-5–900/PMS 体系中催化速率常数与关键电子结构描述符之间存在显著的线性相关性（R² = 0.716-0.855），表明其氧化活性的可预测性极高。总体而言，本研究为设计具有可控氧化还原反应性、可调选择性以及以单线态氧为主导的催化路径的高级氧化工艺提供了概念框架。

图文导读

Fig. 1. (a) The EPR spectra in both two catalytic systems. (b) The k_obs and (c) degradation performance in the presence of radical scavengers in 8-Fe-MOF-5-900/PMS and 70-Fe-ZIF-8-900/PMS. The effect of (d) premixing time and (e) addition of DMSO scavenger on phenol degradation performance in both two catalytic systems. (f) The PMSO consumption and PMSO₂ generation as well as calculated conversion values of 8-Fe-MOF-5-900/PMS and 70-Fe-ZIF-8-900/PMS.

Fig. 2. (a) Schematic illustration of the selective removal of phenolic compounds for by 8-Fe-MOF-5-900 and 70-Fe-ZIF-8-900 activated PMS systems. (b) Removal efficiency and k_obs value in 8-Fe-MOF-5-900 and 70-Fe-ZIF-8-900 activated PMS systems in different pH, the presence of different ions and HA. (c) Removal efficiency of phenol in different water matrix with 8-Fe-MOF-5-900 and 70-Fe-ZIF-8-900 activated PMS systems. (d) Schematic diagram of microreactor of PMS-based AOPs coupled with prepared catalysts-based membrane filtration. (e) Treatment performance of phenol by the continuous-flow reactor.

全文小结

通过合理优化有机连接子，本研究设计了Fe单原子催化剂（Fe-C₁O₃构型，呈二维纳米片结构），该催化剂能高效活化PMS以选择性产生单线态氧，从而实现苯酚的快速降解（速率：1.099 min^-1），且仅需微量铁负载，从而最大限度地降低苯酚对生态系统的威胁。该催化剂设计通过优化电子结构促进污染物分解，并在最大限度减少铁元素渗出的同时实现酚类化合物的选择性去除。生命周期评估表明该催化过程具有良好的环境可持续性，而构建的膜反应器作为高效且低影响的连续流氧化平台，在实际水处理应用中展现出巨大潜力。