第一作者：周鑫 2023级博士生

通讯作者：汤琳教授、王佳佳副教授

论文DOI： 10.1002/adfm.202513232

图文摘要

成果简介

近日，湖南大学环境科学与工程学院汤琳课题组在Advanced Functional Materials上发表了题为“Precise Mo-Fe Dual-Atom Coordination Regulates the Selective Generation of Non-Free Radicals in Peroxymoncosulfate Activation”的实验论文（DOI：10.1002/adfm.202513232）。该研究设计了一种新型的FeMo-N-C催化剂，能选择性活化PMS生成¹O₂为主的非自由基物种，12分钟完全降解2,4-二氯苯酚，动力学常数提升20.67倍。Mo的引入调节Fe位点电子结构，降低¹O₂生成能垒，同时加速Fe³⁺/Fe²⁺循环，提升催化效率和稳定性。该研究为设计高效单原子催化剂提供了新思路。

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本研究通过MOF热解法制备了FeMo-NC双原子催化剂，在类芬顿反应中表现出高活性与稳定性。该催化剂显著促进¹O₂主导的非自由基路径（占比96.3%），Mo的引入优化了Fe的d轨道中心，增强PMS吸附并降低¹O₂生成能垒，同时加速Fe³⁺/Fe²⁺循环，提升催化效率和可回收性。研究为双原子催化剂设计及非自由基路径调控提供了重要理论指导，推动水处理技术发展。

图文导读

催化剂的表征

Figure 1. (a,b) SEM/TEM images of FeMo-N-C; (c-g) HAADF-STEM image and EDS maps of C, N, Fe, Mo; (h) Aberration-corrected HAADF-STEM image; (i,l) Fe/Mo K-edge XANES profiles with reference standards; (j,m) FT-EXAFS spectra at Fe/Mo edges; (k,n) Experimental/fitted EXAFS patterns with atomic configurations.

通过SEM确定了催化剂的正十二面体形态；球差电镜证实了Fe-Mo双原子对的存在；同步辐射结果进一步证实Fe，Mo以单原子形式存在。

性能及机理探究

Fig. 2 (a) 2,4-DCP degradation efficiency and corresponding (b) k_obs in different PMS systems; (c,d) 2,4-DCP degradation efficiency in FeMo-N-C/PMS and Fe-N-C/PMS with different quenchers;(e,f) Contribution rates of active species in FeMo-N-C/PMS and Fe-N-C/PMS; (g,h) DOS plots of Fe-N-C and FeMo-N-C; (i) Free energy diagrams of PMS activation.

FeMo-NC/PMS体系在12分钟内完全去除2,4-DCP，表观速率常数是Fe-NC/PMS的20.67倍。淬灭实验表明¹O₂是主要活性物种。非自由基占比达96.3%（Fe-NC/PMS为65.7%）。Mo的引入调节Fe的d带中心，优化电荷分布，使FeMo-NC更接近费米能级，增强PMS吸附和活化，促进非自由基路径形成。热力学计算显示FeMo-NC/PMS体系¹O₂生成能垒更低。

小结

开发的FeMo-N-C双原子催化剂通过Mo掺杂调控Fe活性中心，实现96.3%选择性的非自由基氧化路径。该催化剂具有以下优势：1）加速Fe²⁺/Fe³⁺-Mo⁴⁺/Mo⁶⁺氧化还原循环（铁浸出<0.088mg/L）；2）显著提升反应动力学（k=0.587min^-1，较单金属催化剂提高20.67倍）；3）强抗干扰能力（pH5-9保持>90%降解效率，可耐受20mg/L腐殖酸）；4）优异的稳定性。研究揭示了异原子桥接双原子催化剂的设计原则，为水净化应用提供了高效解决方案。