近期，中科院合肥研究院固體所環(huán)境材料與污染控制研究部孔令濤研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種在氮化碳納米片上錨定單原子的預(yù)組裝策略，制備出系列單原子負(fù)載氮化碳類芬頓催化劑并用于水中四環(huán)素污染物的降解，將催化活性提升了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)研究成果以“Preassembly strategy to anchor single atoms on carbon nitride layers achieving versatile Fenton-like catalysis”為題，發(fā)表在Separation and Purification Technology (Sep. Purif. Technol., 2022, DOI: 10.1016/j.seppur.2022.122955)上。      類芬頓是一種以自由基為主要活性物種的反應(yīng)，H2O2和PMS（過硫酸鹽）是兩種常用的類芬頓氧化劑，由于兩者產(chǎn)生的自由基的半衰期短，利用效率低，因此可通過縮短自由基向污染物分子的遷移距離提高催化效率。目前，單原子材料已被證明對(duì)氧化劑具有較好的活化作用。氮化碳是一種二維富氮材料，其具有納米片結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)的比表面和較高的穩(wěn)定性，是一種很好的單原子催化劑支撐材料；同時(shí)，其豐富的氮元素可以為金屬離子的嵌入提供理想位點(diǎn)，形成獨(dú)特的配位結(jié)構(gòu)和電子構(gòu)型。因此，將金屬原子固定在氮化碳納米片上，可將自由基限制在污染物附近，從而有效提高類芬頓催化效率。

鑒于此，研究人員提出了一種具有廣譜通用的熱解配位聚合預(yù)組裝策略，將單原子（如Cu、Fe、Co、Mn等）錨定在氮化碳納米片上，并證明了它們?cè)陬惙翌D催化中的通用性。作為概念性驗(yàn)證，研究選擇單原子銅催化劑（SA-Cu-CN）作為四環(huán)素（TC）降解和機(jī)理闡述的模型材料。SA-Cu-CN的類芬頓催化活性相比于研究中使用的其他材料提高了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。EPR分析和淬滅實(shí)驗(yàn)表明該催化體系中?OH和SO4?-的生成對(duì)降解TC起著至關(guān)重要的作用。結(jié)合超高液相色譜-質(zhì)譜分析與DFT理論計(jì)算，對(duì)TC的降解路徑及產(chǎn)物毒性進(jìn)行了分析鑒定，SA-Cu-CN類芬頓催化劑顯示出對(duì)有機(jī)污染物的深度處理能力。此外，通過相同的制備方法合成了SA-Fe-CN、SA-Co-CN和SA-Mn-CN等系列單原子催化劑，均表現(xiàn)出較好的類芬頓催化活性。該研究對(duì)發(fā)展類芬頓催化劑及其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要意義。

上述工作得到了國家重點(diǎn)研究開發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金及合肥研究院院長基金等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122955

圖1. CN和SA-Cu-CN的形貌和結(jié)構(gòu)表征。

圖2. SA-Cu-CN的類芬頓催化性能探究。

圖3. 四環(huán)素降解的路徑分析以及其產(chǎn)物的鑒定和毒性評(píng)估。