硼掺杂调控氧化铁3d轨道电子态增强亚硫酸盐活化效能的环境催化新策略

为解决传统Fe2O3光阳极在亚硫酸盐活化过程中电子局域化与自旋态转变导致的效率瓶颈，研究人员通过硼（B）掺杂构建Fe-B配位结构，实现Fe 3d轨道电子重排。该策略使B-Fe2O3光电流密度提升1.6倍，氧硫自由基选择性提高2.1倍，污染物降解速率加快4.3倍，为环境修复AOPs技术提供了高效稳定的催化剂设计范式。

　　

在环境治理领域，基于氧硫自由基（如SO₃^•?、SO₄^•?）的高级氧化工艺（AOPs）因其强氧化能力备受关注。然而传统亚硫酸盐（SO₃^2?）活化技术面临太阳能利用率低、副反应多等挑战。尤其当使用Fe₂O₃催化剂时，其Fe 3d轨道的电子局域化特性及光激发下的自旋态转变（六重态→二重态），会阻碍单电子氧化路径，导致氧硫自由基生成效率骤降。

上海交通大学的研究人员创新性地采用硼掺杂策略，通过构建Fe-B配位结构调控Fe 3d轨道电子态。同步辐射（XANES）和理论计算表明，B的空p轨道作为电子梭，既缓解了电子局域化，又稳定了Fe³⁺的高自旋态。这种双功能调控使SO₃^2?单电子氧化能垒降低，SO₃^•?脱附加速，最终实现污染物降解速率4.3倍的提升。该成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。

关键技术包括：通过水热-煅烧法制备B-Fe₂O₃光阳极；采用FT-EXAFS解析Fe-B配位结构；结合EPR捕获氧硫自由基；利用DFT计算电子转移路径。

【合成与表征】XRD证实B掺杂未改变α-Fe₂O₃晶型（图1a），XPS显示B 1s结合能位移证明Fe-B键形成（图1d）。

【性能优化】最优B-Fe₂O₃在可见光下光电流达1.23 mA/cm²，较未掺杂样品提升160%（图2a）。

【机理研究】穆斯堡尔谱证实B掺杂使Fe³⁺保持高自旋态（六重态占比82%）；DFT显示B 2p-Fe 3d轨道杂化使SO₃^2?吸附能降低0.47 eV。

该研究开创性地通过轻元素掺杂实现过渡金属自旋态调控，为解决AOPs中"选择性-活性"权衡难题提供了新思路。所开发的B-Fe₂O₃光阳极在连续10次循环后活性仅衰减7.5%，展现出显著的工程应用价值。