基于钴的催化剂中活性位点的演变及其在强化水净化中的作用：从单原子结构到双原子结构

《Small Methods》：Active Site Evolution in Cobalt-Based Catalysts for Intensifying Water Purification: From Single-Atom to Diatomic Configurations

双原子铜钴催化剂通过离子辐照调控电子结构，显著提升过硫酸盐活化降解磺胺甲噁唑的效率及稳定性，机制涉及Co-Cu电子梯度驱动d带中心位移和自由基再生。

　　

摘要

单原子钴催化剂（SAC-Co）在水净化过程中用于过一硫酸盐（PMS）的活化具有很大潜力，但由于其单一金属的性质，在活性和稳定性方面存在固有局限。为了解决这些问题，提出了一种活性位点演变策略，通过离子辐射将孤立的钴位点转化为双金属M/Co₁（M═Cu、Fe、Ni、Mn）双原子位点（M/Co₁-CN），显著提升了催化性能和耐用性。其中，Cu/Co₁-CN对磺胺甲噁唑（SMX）的降解速率常数分别比SAC-Co和SAC-Cu高11.7倍和31.7倍。机理研究表明，引入Cu活性位点改变了钴活性位点的电子结构。钴的d带中心能量（-1.455 eV）高于铜的d带中心能量（-3.242 eV），从而形成了电子梯度，促使电子从钴转移到铜。费米能级附近d带峰的重叠表明两者之间存在强烈的电子耦合，减少了钴d带的电子填充，并促进了钴从Co(II)氧化为Co(IV)，同时再生了铜活性位点以持续产生自由基。这种经过改良的活性位点使得Cu/Co₁-CN/PMS系统表现出广谱微污染物降解能力、对无机阴离子干扰的强抗性以及在连续96小时柱实验中的优异稳定性。这项工作强调了活性位点演变作为开发先进水处理催化剂的强大设计原则。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。