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为解决钴基催化剂在过硫酸盐（PMS）催化中存在的界面电子转移受限等问题，研究人员开展构建新型 CoLaOx-HC 催化剂的研究。结果显示，该催化剂可近 100% 选择性生成 Co (IV)=O，大幅提升污染物去除效率，为净水提供新技术。
在当今的水环境中，有机微污染物（OMPs）正成为日益严峻的问题。随着人类活动和工业化进程的推进，这些 OMPs 源源不断地进入水环境，它们广泛且持久地存在，还带有生物毒性，就像隐藏在水中的 “定时炸弹”，严重威胁着可持续的清洁水供应以及水生生态系统的稳定。如何有效去除这些顽固的污染物，成为保障水生态安全的关键难题。
传统的处理方法在面对 OMPs 时往往力不从心，而过硫酸盐（PMS）基高级氧化工艺（PMS-AOPs）被视为解决这一问题的希望之光。在这个工艺中，设计高效的催化剂来激活 PMS 至关重要，因为只有这样才能产生具有强大氧化能力的活性氧物种（ROSs）。钴（Co）基非均相催化剂凭借独特的 d 轨道电子结构和特定的氧化还原电位（RPs），在众多催化剂中脱颖而出，成为备受瞩目的 PMS 激活剂。然而，它也存在诸多短板，比如催化表面 / 界面电子交换有限、催化剂与 PMS 的相互作用较弱，金属物种的价态循环缓慢等，这些问题导致活性自由基和非自由基物种生成不足，使得钴基催化剂的去污性能大打折扣。
为了攻克这些难题，中南大学的研究人员踏上了探索之旅。他们致力于构建一种新型的 CoLaOx-HC（分级碳）催化剂（CL-2/8），并期望通过它来实现高效的类芬顿催化，从而有效去除水中的 OMPs。
研究人员采用了金属 - 有机框架（MOFs）衍生策略，成功合成了具有不对称 4f?2p?3d La–O–Co 单元且处于梯度轨道耦合（GOC）状态的 CL-2/8 催化剂。在研究过程中，他们运用了多种关键技术方法。首先，利用扫描电子显微镜（SEM）对催化剂的形貌进行观察，以了解其微观结构特征；通过比表面积分析（BET）测定催化剂的比表面积和孔径，判断其孔隙结构特性；借助 X 射线衍射（XRD）技术，验证催化剂前驱体的结晶结构。这些技术从不同角度为研究提供了重要数据支撑。
研究结果令人振奋。在 CL-2/8/PMS 体系中，几乎 100% 选择性地生成了 Co (IV)=O 物种（产率为 3.345×10?10 M）。以卡马西平为例，其去除动力学常数达到 0.638 min?1 ，相比 CL-10/0（Co3O4）提升了 17.2 倍。深入的实验表征和理论计算揭示了背后的原理：不同能级轨道的精细耦合精确地调节了 La?O?Co 界面的电子排列，优化了钴 3d轨道的电子构型（即eg占据），这不仅促进了 PMS 的吸附和巴德电荷转移，还改变了反应的决速步骤，降低了生成 Co (IV)=O 的能垒。此外，研究人员还成功构建了负载 CL-2/8 的聚偏二氟乙烯膜连续流系统，实现了对污染物的长期有效去除。
在研究结论和讨论部分，这项研究成果意义重大。该研究提出的新型 4f?2p?3d梯度轨道耦合策略，为合成高效的钴基类芬顿催化剂开辟了新途径。通过优化钴活性位点的eg占据，显著提升了 PMS 的激活效率，实现了对难降解 OMPs 的高效去除。CL-2/8 催化剂展现出的卓越性能，为水净化领域提供了一种高效、经济、环保且可持续的技术方案，有望在实际应用中发挥重要作用，为解决全球水环境污染问题贡献力量。该研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，为相关领域的研究提供了重要的参考和借鉴，推动了水净化技术的进一步发展。
