一种含有单原子嵌入物的MOF衍生Co@N-C/Ti?C?T?复合材料，用于催化过氧乙酸的活化，从而降解常见的催泪剂

本研究通过氢键辅助热解和自组装策略制备了Co@N-C/Ti3C2Tx催化剂，显著提升了对PAVA的催化降解效率，并分析了其高活性和稳定性的机制。

　　
该研究针对反恐行动中使用的胡椒基类眼刺激剂（PAVA）残留污染问题，开发了一种基于单原子钴负载的MOF-MXene异质结构催化剂。研究团队通过氢键辅助热解和自组装策略，成功制备出具有高比表面积（941 m2/g）和单原子钴负载特性（Co-N?配位）的复合催化剂Co@N-C/Ti?C?Tx，显著提升了过醋酸（PAA）的活化效率，使PAVA降解率在60分钟内达到98.4%。

研究背景显示，现有DAC（眼刺激剂）如PAVA虽能有效控制局势，但其低刺激阈值导致残留污染问题突出。传统降解方法存在效率低、环境适应差等缺陷，特别是密闭空间中二次刺激风险难以控制。该团队前期开发的Co?O?/Ti?C?Tx催化剂虽能实现93.1%的降解率，但活性位点暴露不足、循环稳定性欠佳等问题制约了实际应用。

创新性体现在催化剂的微观结构设计：MXene（Ti?C?Tx）作为载体材料，不仅提供大的比表面积（较纯Ti?C?Tx增加约2.3倍），更通过表面缺陷和层间空隙增强活性物种扩散。钴基MOF（Co@N-C）通过单原子分散（原子负载量达5.8%）、高配电子密度（N?配位）和三维孔道结构，实现活性位点的最大化利用。实验表明，这种异质结构使钴的原子效率提升40%，同时MXene的导电性和还原性促进PAA活化，形成自由基链式反应。

催化机制研究揭示了多级协同作用：首先，MXene的层状结构和表面含氧官能团（如-OH、-C≡C-O-）为PAA提供活化界面，其π-π相互作用加速质子转移；随后，单原子钴（Co-N?）通过氢键网络与载体形成稳定协同体系，在活化PAA生成CH?C(O)OO•和CH?COO•自由基的过程中，实现活性氧（ROS）的高效产生活化能垒降低（理论计算显示能垒降低约1.2 eV）。通过EPR和自由基淬灭实验证实，这两个自由基中间体主导了后续的氧化分解反应，包括C-O键断裂、苯环开环等关键步骤。

材料性能对比显示，与纯Co@N-C相比，复合催化剂的比表面积提升12.7%，单原子钴的分散度提高3倍（TEM统计显示单原子分布均匀性达98%）。循环测试表明，连续使用5次后降解率仍保持92.3%，且pH适应范围扩展至4-10，较传统催化剂拓宽了60%的应用场景。DFT计算进一步揭示了MXene的电子结构调控作用：其sp2杂化碳层形成电子沟道，将Co-N?的d带中心下移0.35 eV，增强对PAA活化基团（如O-O键）的吸附能力，同时抑制钴的氧化还原循环损耗。

环境效益方面，该催化剂可将PAVA完全降解为CO?和H?O，COD去除率达99.8%，且未检测到有害副产物。与市售生物降解剂相比，处理效率提升2.8倍，成本降低40%。实际模拟测试显示，在密闭容器中处理PAVA污染样本，30分钟内就能使环境中PAVA浓度降至0.1 ppm以下（安全限值为5 ppm），满足GB 16895-2003《化学武器防护标准》中的快速降解要求。

技术突破体现在三方面：1）开发新型氢键辅助合成法，解决MOF-MXene异质结构中常见的颗粒团聚问题；2）建立单原子催化剂的负载-载体协同效应评价体系，通过XPS深度剖析发现Co-N?与Ti?C?Tx表面-OH形成强氢键（结合能差异达0.8 eV），促进电子转移；3）构建"载体-催化剂-活性物种"三位一体作用模型，为设计新一代环境净化材料提供理论框架。

该技术已通过中试验证，在 simulated closed-space environment（密闭空间模拟环境）中连续运行72小时，PAVA降解效率保持95%以上，且未观察到载体材料Ti?C?Tx的明显降解或氧化。研究团队计划将该催化剂应用于智能监测系统，通过嵌入物联网传感器实时反馈污染浓度和处理进度，这对城市反恐应急响应具有重要应用价值。

后续研究方向包括：1）探索MXene不同形态（如Ti?C?Tx/Ti?CuC?Tx梯度结构）对催化性能的影响；2）研究复合催化剂在复杂基质（如血液、有机溶剂）中的抗干扰能力；3）开发模块化催化剂载体，实现与其他传感/执行单元的集成。该成果已获得国家重大科技基础设施开放课题（SKLNBC2022-05）资助，相关技术专利正在申请中。