在钴单原子催化剂中，反应物诱导的动态催化作用实现了高效的水处理

《ACS Catalysis》：Reactant-Induced Dynamic Catalysis in Co Single Atom Catalyst for Efficient Water Remediation

单原子催化剂动态结构演变研究揭示，Co–N3O催化剂在PMS-AOPs作用下经历可逆的d-p轨道重组，形成高活性Co(IV)=O中间体，通过原位XAS和DFT计算证实该动态重构机制，使催化剂活性提升4倍，稳定性达120小时以上，并成功处理工业废水。

　　

阐明单原子催化位点的动态演变是推动单原子催化技术发展的一个根本性挑战。尽管当前的研究主要集中在由外部扰动（例如电化学势变化）引发的结构性转变上，但在常温反应条件下活性位点的内在自适应机制仍大多未被探索。在这里，我们报告了一种氮/氧双配位的钴单原子催化剂（Co–N₃O₁）在过氧单硫酸盐基高级氧化过程（PMS-AOPs）中因反应物诱导而发生的动态配位演变。通过原位X射线吸收光谱（XAS）结合密度泛函理论（DFT）计算，我们发现该催化剂在PMS激活后经历了从初始的Co–N₃O_cat构型到O_PMS═Co–N₃中间体的两步可逆结构转变，在苯酚氧化过程中又重新恢复到原始的Co–N₃O_cat状态。这种动态重构源于配位氧物种的Co 3d轨道与O 2p轨道之间的自发d–p轨道重排，这种重排选择性地稳定了高价的Co(IV)═O物种。优化后的催化剂活性比传统的Co–N₄SACs提高了4倍，且运行稳定性超过120小时，并能有效处理实际的工业煤炭化学废水。这项工作提供了无刺激条件下、由反应物诱导的活性位点动态变化的原子级证据，为设计具有广泛应用前景的自适应单原子催化剂树立了范例，特别是在环境和能源相关领域。