第一作者：Biao Liong>

通讯作者：Yanyan Su, Yifeng Zhang

通讯单位：Technical University of Denmark

研究内容：

单原子催化剂(SACs)作为一种高效的过氧化物催化剂已逐渐被人们所接受，但其结构与催化活性之间的关系尚不明确。本文中，作者对氮化碳上的Fe位点进行了调节，并在FeCN₅上获得了单原子和团簇位点的组合，通过直接的超快H₂O₂活化，记录的亚甲基蓝氧化率为59.43mg L^-1 min^-1。其优异的性能主要归功于高活性位点的暴露、自创的酸性微环境和浸出铁的帮助。然而，催化剂在高pH条件下的过度暴露会破坏表面环境，抑制H₂O₂的活化。针对这一问题，作者开发了一种流动式过滤器，在处理实际废水时，可在 320 小时内实现近 100% 的污染物降解和H₂O₂利用率和稳定性。这些发现为催化剂在原子尺度上的操作和可行的催化系统的开发提供了深刻的见解，使其能够在现实世界中应用。

 本文中的示意图

要点一：

在这项研究中，作者通过控制氮化碳（CN）与铁前驱体的比例，制备了一种同时具有SAs和SCs的铁基催化剂，以获得更多暴露的铁活性位点。即使在高pH值和阴离子条件下，所制备的催化剂在H₂O₂活化和污染物降解方面表现出优异的活性，解决了传统H₂O₂基AOPs所面临的两个关键挑战。原因是SAs和SCs的共存可以通过表面酸度创造一个酸性的微环境，从而将溶液的pH值保持在酸性范围内。这种特殊的功能使双作用力催化机制得以实现(SAs-SCs位点的表面介导催化和铁浸出的均相催化)。

要点二：

此外，作者通过使用一种新型的流式芬顿过滤器(由FeCN₅改性的CF构建)来降低活性位点的过度暴露。这种简易、可伸缩的过滤器在H₂O₂活化和污染物降解方面表现出超高的催化活性和可持续性。该过滤器的浸出量小、能耗低、操作简单、在实际废水环境下的长期稳定性也证明了该过滤器设计可以为污水处理的大规模应用提供一种有前景和有效的策略。

图1.(a) Fe 基催化剂的合成过程示意图。(b) 具有纳米孔但没有 Fe 纳米颗粒的 FeCN₅ 的 TEM 图像。(c) FeCN₅ 的 HAADF-STEM 和 EDS 映射图像，其中 Fe、C、N 和 O 分布均匀。(d) FeCN₅的 HAADF-STEM 图像和单个 Fe 原子的图示（右上，对应于小圆圈）和单个 Fe 簇（右下角，对应于大圆圈）。(e) N₂吸附-解吸等温线；(f)广角 XRD 图谱；(g) FTIR光谱；(h) TG 曲线和 (i) Fe 基催化剂的 Fe 2p XPS光谱。

图2. (a) H₂O₂活化对MB的降解速率: 均相催化剂(4-{attr}3167{/attr} mg/L Fe²⁺和12 mg/L Fe³⁺)、经典(0.5 g/L Fe₃O₄、Fe₂O₃和FeCN₀)、非经典(0.5 g/L FeCN₃)多相催化剂和单原子催化剂(0.5 g/L FeCN₅和FeCN₈)。(b)铁基催化剂的活性位点和周转率。(c) FeCN₅-H₂O₂催化体系对20 mg/L染料(MeB、TB、OG、MO)、酚类化合物(苯酚、HBA、PC)和抗生素(CAP、CTC)的降解及TOC去除效果。(d)初始pH值对 MB降解的影响。(e) H₂O₂消耗量，插入不同pH条件下H₂O₂消耗值拟合曲线。(f)浸出量及Fe²⁺占总浸出量的百分比，插入不同pH条件下铁浸出量拟合曲线。(g) FeCN₅-H₂O₂催化体系的pH变化。(h) Cl^- (1 mM)对Fe²⁺、Fe₂O₃和FeCN₅-H₂O₂催化体系中MB降解的影响。(i)水源对FeCN₅-H₂O₂催化体系中MB降解的影响。反应条件:催化剂(0.5 g/L)，MB (20 mg/L)，H₂O₂(7.85 mM)，初始pH(7)。

图3. (a)分别添加H₂O₂和MB的铁基催化剂的i-t测试，采用包覆铁基催化剂的玻碳电极、铂箔和Ag/AgCl电极分别作为工作电极、对电极和参比电极。(b)草酸盐的影响。(c)猝灭试剂和(d)气体-饱和溶液对MB降解的影响。FeCN₅-H₂O₂催化体系产生•OH的机理：(e)没有和(f)有高pH缓冲溶液。反应条件: FeCN₅(0.5 g/L)，MB (20 mg/L)，H₂O₂ (8.75 mM)，初始pH (7)。

图4. (a) MB的降解效率和速率，以及 (b)在没有缓冲溶液的铁基催化剂-催化系统中的•OH积累。(c) MB的降解效率和速率，以及(d)在有乙酸盐缓冲溶液（pH 4）的铁基催化剂-催化系统中的•OH 积累。(e) pH变化。(f)•OH在FeCN₅-H₂O₂催化体系中有阴离子存在和不存在时的积累。图(b、d、f)中的灰色、红色、蓝色和橙色曲线分别表示FeCN₀、FeCN₃、FeCN₅和FeCN₈。反应条件: MB (20 mg/L)，催化剂(5 mg)，H₂O₂ (8.75 mM)，缓冲液(0.1 M)，阴离子(1mm)。

图5. (a)在~100 ml/h的流速下，小尺寸过滤器(外径5×1.5 cm)对MB的降解(10 mg/L)和H₂O₂的利用效率(初始浓度7.85 mM)。(b)装配有中等尺寸过滤器(22×4 cm外径)的通流装置图像。(c)涂覆FeCN₅催化剂的过滤器SEM图像。(d)用于废水过滤的重力驱动过滤器原理图。(e-f)流量为~ 250ml /h时，中等尺寸过滤器的MB降解和H₂O₂利用效率。(e)和(f)分别记录了过滤后废水中的铁浸出。(f)中显示了流出废水（初始浓度为52.62 mg/L）的COD剩余率。

参考文献：

Li, B.; Cheng, X.; Zou, R.; Yong, X.; Pang, C.; Su, Y.; Zhang, Y., Simple modulation of Fe-based single atoms/clusters catalyst with acidic microenvironment for ultrafast Fenton-like reaction. Applied Catalysis B: Environmental 2021, 121009.