单原子诱导电子金属-载体相互作用解锁电催化单电子水氧化技术用于高效废水净化

为解决废水处理中羟基自由基(·OH)生成效率低和选择性差的问题，研究人员通过将Ni单原子锚定在锑掺杂氧化锡阳极(Ni/ATO)上，揭示了电子金属-载体相互作用(EMSI)增强·OH生成的机制。实验与理论研究表明，Ni单原子作为协同催化位点，通过"H-pulling效应"显著提升·OH稳态浓度5倍以上，磺胺甲恶唑降解速率提高10倍。该研究为设计高性能阳极提供了新策略，发表于《Nature Communications》。

　　

随着全球工业化的推进，水污染问题日益严峻，尤其是抗生素、农药等难降解有机污染物对生态系统和人类健康构成严重威胁。电氧化技术(EOPs)因其能通过单电子水氧化反应生成强氧化性羟基自由基(·OH)，被视为一种绿色高效的废水处理方案。然而，传统"非活性"阳极如PbO₂/Ti、Sb₂O₅-SnO₂/Ti等存在·OH生成效率低、四电子水氧化副反应竞争等问题，严重制约了该技术的实际应用。

为突破这一瓶颈，中国的研究团队创新性地将单原子催化剂(SACs)概念引入电氧化系统，通过磁控溅射技术在锑掺杂氧化锡(ATO)阳极上锚定镍(Ni)单原子，构建了具有电子金属-载体相互作用(EMSI)的Ni/ATO催化剂。研究发现，Ni单原子作为协同催化位点，通过独特的"H-pulling效应"显著提升了界面水分子的吸附和解离效率，同时建立了快速的电子转移通道。这种EMSI效应使得·OH的稳态浓度提升5倍以上，磺胺甲恶唑(SMX)降解的拟一级速率常数比裸ATO阳极提高10倍。

研究采用了多种先进表征技术：通过像差校正高角度环形暗场扫描透射电镜(AC HAADF-STEM)确认了Ni的单原子分散状态；X射线吸收光谱(XAS)揭示了Ni-O-Sn键合结构；原位电化学拉曼光谱动态追踪了界面水分子结构变化；密度泛函理论(DFT)计算阐明了EMSI对电子结构的调控机制。

研究结果部分，"电催化性能"显示Ni/ATO阳极在45分钟内完全降解SMX，且能同时高效去除多种难降解污染物；"电极表征"通过XPS、EELS等证实了电子从Sn通过O桥向Ni转移；"活性物种选择性生成"通过ESR和化学动力学模型证明·OH贡献率达88.4%；"单原子驱动的EMSI效应"部分通过AC HAADF-STEM和EXAFS证实Ni以单原子形式存在，每个Ni原子与5个O原子配位；"电催化机制探索"通过原位拉曼发现Ni/ATO能持续解离水分子生成·OH，而ATO则因析氧反应(OER)导致信号衰减。

在"实际应用可行性与环境足迹"部分，研究显示Ni/ATO处理实际制药废水可实现64.8%的总有机碳(TOC)去除率，能耗仅0.05 kWh/g TOC。生命周期评估(LCA)表明，相比均相高级氧化工艺，该技术可减少53%的温室气体排放。

这项研究的重要意义在于：首次将EMSI效应与电氧化系统相结合，阐明了单原子作为协同催化位点的作用机制；提出的"H-pulling效应"为设计高效阳极提供了新思路；开发的Ni/ATO阳极在处理实际废水时展现出优异的稳定性、适应性和环境友好性。该成果不仅填补了EMSI效应与电催化水氧化反应之间的理论空白，也为实现分散式水处理提供了可靠的技术方案，对推动碳中和目标下的水净化技术发展具有重要价值。