第一作者：付康（2025级硕士生）

通讯作者：王佳佳副教授、汤琳教授

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.126890

图文摘要

成果简介

近日，湖南大学汤琳教授、王佳佳副教授课题组在Water Research上发表了题为“Interface-induced Built-in Electric Field Breaks the Oxo Wall for Efficient Water Purification: Directional Generation and Essential Mechanism of Co(IV)=O Specie”的研究论文，研究人员合理设计了Co₃O₄/ZnO-CN异质结催化剂，通过界面诱导内建电场策略实现了对电子转移和质子转移的双重调控作用，Co(IV)=O以CEPT路径高效生成。本研究成功克服了氧化物壁的固有局限性，阐明了Co(IV)=O物种在PMS-AOPs中的形成机制及其关键作用，为高性能钴基催化剂的合理设计以及新型水净化技术的发展提供了新的思路和理论依据。

全文速览

本研究通过简单研磨和一步热解法合成了Co₃O₄/ZnO-CN异质结催化剂。在类芬顿 PMS 活化反应中表现出优异的催化活性。异质界面诱导的内建电场驱动电子从Co位点向Zn位点转移，降低Co 3d反键轨道电子占据，PMS吸附能从1.82 eV 提升至3.12 eV，同时分子内氢键降低PMS的OH 键解离能。该体系对环丙沙星、四环素、双酚A等多种富电子污染物可实现快速完全降解，展现出卓越的环境耐受性（宽 pH 311、抗阴离子干扰、耐腐殖酸），连续流反应器中12小时仍保持98% 以上的环丙沙星降解效率，该研究为通过质子耦合电子转移路径生成Co(IV)=O提供了重要的理论指导。

图文导读

Figure 1. DFT verification of interface-induced built-in electric field.

Co₃O₄的功函数为4.723 eV，而ZnO-CN的功函数为6.557 eV。在Co₃O₄/ZnO-CN异质结中，两种相之间显著的功函数差异可自发驱动电子从Co位点向Zn位点的定向转移，从而形成内建电场。

Figure 2. Identification and quantitative analysis of active species.

Co₃O₄/ZnO-CN在5min内可实现 20 mg/L CIP的完全降解。通过淬灭实验、探针实验及EPR测试验证了Co(IV)=O在CIP降解过程中发挥主导作用。

Figure 3. DFT and mechanism.

DFT揭示界面诱导内建电场策略有效增强Co与O的d-p轨道耦合，并从热力上验证了Co(IV)=O通过CEPT路径生成的可行性。

小结

本研究通过界面诱导内建电场策略有效打破氧壁规则，实现了CEPT路径高效生成高价钴氧物种。该工作不仅为突破Co(IV)=O形成中的氧墙限制提供了新思路，还有效降低了PMS键的解离能垒。该体系通过界面诱导的内置电场效应构建了高效的催化系统，并具有优异的工业稳定性，为在实际复杂废水环境中应用非自由基氧化降解路径提供了可行的技术策略。