界面局域耦合电场驱动的ZIF衍生FeCoCH/C3N5高效生成高价金属-氧活性物种：氮的双重作用机制解析

本研究针对水体中氯喹磷酸盐(CQP)等难降解药物污染物的治理难题，通过构建具有界面-局域耦合电场的ZIF衍生FeCo-碳酸盐氢氧化物/C3N5(FCCH/NCN)异质结构，实现了过一硫酸盐(PMS)的高效非自由基活化。该催化剂在15分钟内完全降解CQP，速率常数较传统材料提升1.5-2.5倍，通过双电场协同作用促进高价金属-氧物种(HVMO)生成，为高级氧化技术提供了新的电子结构调控策略。

　　

随着新型污染物在水环境中的不断检出，传统水处理技术面临严峻挑战。以抗疟疾药物氯喹磷酸盐(CQP)为代表的药物残留物，因其环境持久性、生态毒性和抗降解特性，成为威胁生态系统安全和公众健康的重要风险源。这迫切需要开发能实现深度矿化的高效水处理技术。在众多解决方案中，基于过一硫酸盐(PMS)的高级氧化工艺(AOPs)因其高氧化电位和广谱适用性备受关注，但如何定向调控活性氧物种(ROS)生成路径仍是关键科学难题。

针对这一挑战，江西省自然科学基金等项目支持的研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表了创新性研究成果。该工作通过精确设计ZIF衍生的FeCo-碳酸盐氢氧化物/氮富集氮化碳(FCCH/NCN)异质结构，首次提出并验证了"界面-局域耦合电场"协同增强高价金属-氧物种(HVMO)生成的新机制。研究采用密度泛函理论计算结合¹⁸O同位素标记等关键技术，揭示了双电场对金属3d轨道电子重排的调控规律，为开发高效非自由基催化体系提供了理论依据和实践方案。

研究人员通过溶剂热法构建了二维异质结构催化剂，采用X射线吸收精细结构谱(XAFS)分析配位环境，结合电化学测试和电子顺磁共振(EPR)验证反应路径。通过对比FCCH/C₃N₄和物理混合体系，明确了界面与局域电场的协同效应。同位素标记实验定量分析了M(IV)=O的生成量，密度泛函理论(DFT)计算则揭示了电子转移路径和轨道重构机制。

【催化剂结构与性能】部分显示，FCCH/NCN呈现独特的堆叠层状形貌，Fe掺杂诱导表面纳米颗粒形成。XRD和XPS证实了界面M-N配位键的存在，而M?ssbauer谱揭示了Fe的价态变化。电化学测试表明，双电场体系使电荷转移电阻降低62%，为快速电子传输提供了通道。

【PMS活化机制】研究发现，1.066 eV的功函数差驱动界面电子迁移，而M-N配位产生的局域电场引起金属位点电子耗竭。这种协同作用使Co的e_g轨道占据数从1.78降至1.32，促进3d电子重排和自旋态转变，最终将M(IV)=O生成量提升至3.15×10^-9 M，较单一电场体系提高4.5倍。同位素示踪证实了氧原子直接来自PMS分子。

【污染物降解性能】实验数据显示，双电场催化剂对CQP的降解速率常数(k=0.462 min^-1)远超对照体系，且在pH 3-9范围内保持稳定。淬灭实验和EPR检测证实反应主要遵循非自由基路径，M(IV)=O贡献率达82.3%。催化剂循环5次后活性仅下降7.8%，显示出良好稳定性。

该研究通过界面工程与电子结构调控的巧妙结合，建立了"结构-电子-活性"的定量关系，为设计高效非自由基催化体系提供了新范式。提出的双电场协同策略不仅适用于水处理领域，其电子轨道调控原理还可拓展至能源转换、有机合成等催化过程，具有重要的科学意义和应用价值。研究团队特别指出，氮元素在构建双电场中扮演双重角色：既是界面电荷转移的"桥梁"，又是局域电子重排的"调节器"，这一发现为多功能催化剂设计提供了新的分子工程思路。