管状单原子Cu-N3催化剂在纳米限制环境下的长程电子相互作用，用于直接电子转移氧化反应

《Nature Communications》：Long-range electronic interactions of tubular single-atom Cu-N3 catalysts for nanoconfined direct electron transfer oxidation

　　

摘要

利用原子级分散的催化剂来选择性触发非自由基氧化反应，可以克服基于自由基的水处理过程中存在的寿命短和选择性差的问题。在本研究中，我们通过将孤立的Cu-N₃位点嵌入到掺碳的管状碳氮化物（CuTCN/C）中，实现了长程电子调控与纳米限域效应的结合。碳原子本身会提升Cu的d带中心能量，从而增强过氧单硫酸盐（PMS）的吸附能力并降低活化能垒。此外，表面介孔结构显著提高了纳米限域环境中的PMS浓度，并加速了界面电子的迁移，从而形成了直接的电子转移路径。因此，CuTCN/C在所有单原子催化剂中表现出最高的活性，同时由于质量传递速率的大幅提高，所需的PMS用量极低。光谱学、电化学、密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）分析证实了电子调控与纳米限域效应在促进PMS活化方面的协同作用——PMS作为活性表面复合物能够直接攻击表面富集的污染物，并实现高利用率。连续流化床实验表明该系统具有优异的耐盐性和长期稳定性，生命周期评估也证实了其在实际应用中的良好环境性能。这种宏观形态结构与微观电子结构的双重工程策略为设计高效、选择性的单原子催化剂提供了有力依据。