过去几个世纪以来，全球工业化的快速发展导致过量的有毒污染物排放到环境中，严重威胁着水生生态系统和人类健康。基于过氧单硫酸盐的高级氧化工艺(PMS-AOP)是处理这些有毒污染物的有吸引力的技术。

利用多种活性氧 (ROS)，AOP 可用于氧化甚至矿化难降解和有毒的有机污染物。单原子催化剂 (SAC) 具有原子利用率最大化以及活性位点均匀且定义明确的特点，有望有效且有选择性地激活 PMS。然而，由于多种 ROS生成途径及其复杂的相互作用，其结构-活性/选择性关系尚未得到很好的揭示。

近日，澳大利亚阿德莱德大学王少斌教授和武汉大学张辉教授团队研究了单原子铁催化剂活化PMS的机理，并确定了单原子Fe中心的几何结构和电子结构与不同活性物种/途径选择性生成之间的关系。相关研究成果发表在《催化学报》上。

单原子位点对PMS的活化通常经过三个步骤，第一步是HSO 5 –吸附到具有不同分子排列的单原子Fe中心上;第二步是活性Fe中心和吸附的HSO 5 –之间发生电荷转移，导致电荷密度发生变化，甚至HSO 5 –的O-O键断裂;第三步是活化的HSO 5 –通过自发释放活性物质(如自由基和1 O 2)或分解表面结合物质与其他底物(如催化剂-PMS*和Fe IV =O)脱离，使活性位点再生。

由于 PMS 活化过程复杂，涉及多个步骤，ROS 生成过程复杂，涉及多个反应中间体，因此即使在单个 Fe 原子位点也会产生不同的 ROS。虽然理论工具可以有效地确定能量上最优的 PMS 吸附结构，但最终生成特定的 ROS 需要每个反应步骤中都有适中的反应自由能。因此，控制 ROS 选择性需要同时管理 PMS 吸附能和关键基本步骤的反应自由能。

在此背景下，调节活性位点的电子结构是控制 PMS 活化活性和 ROS 选择性以建立关系的有效方法。这包括通过构建 Fe–N 2 –O 2和 Fe–N 5位点适度增加 Fe 位点的电荷密度以增强1 O 2和 Fe IV =O 的生成，以及构建 Fe–N 3位点以增强催化剂-PMS* 复合物的生成。通过 Fe–N 3 –P 1和 Fe–N 4 (吡咯 N)位点进一步提高电荷密度有利于自由基的生成。

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