目前，传统基于自由基反应的PMS活化方法存在生成有毒副产物的固有问题。研究表明，非自由基途径的PMS活化在选择性氧化和避免有害副产品形成方面展现出更大的潜力。然而，协调单原子催化剂(SACs)的结构性能关系，提升非自由基氧化途径的效率仍是一个挑战。因此，开发协同非自由基氧化途径，提高PMS活化效率，减少有害副产物，具有重要的环境意义。研究团队通过实验和理论计算，探讨了配位环境对催化剂性能的影响，揭示了单原子催化剂在活化PMS过程中非自由基氧化途径的机制，最终成功实现了催化剂的千克级生产和应用。这一研究不仅深化了对SACs-PMS激活结构性能关系的理解，也为工业规模的环境修复提供了新的方向。
【文章概述】2025年9月19日，广西大学李志礼/陈博团队在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Coordination Reconstruction Enhanced Synergistic Nonradical Oxidation Pathways in Cobalt Single-Atom Catalysts for Sustained Pollutant Destruction”的研究论文。本研究通过一种可扩展的固相热解策略，成功合成了两种
钴单原子催化剂(Co-N3O1和Co-N2O2)，并系统地研究了其催化性能、结构特征及其作用机制。研究发现，这两种催化剂均能通过非自由基途径(如单线态氧、高阶金属氧物种和电子转移)有效活化过氧化物单硫酸盐(PMS)，从而实现对污染物的高效降解。其中，Co-N2O2因其更高的氧配位数和优化的电子结构，在催化活性和稳定性上表现更为优异。通过理论计算和
电化学测试，作者揭示了Co-N2O2的优异性能与其配位环境的优化密切相关。改进的配位结构增强了PMS的吸附和活化能力，并促进了非自由基氧化途径的主导作用。此外，文章还展示了该催化剂在工业公斤级生产和复杂废水处理中的应用潜力，验证了其在实际环境修复中的可行性和高效性。研究结果不仅为单原子催化剂的结构-性能关系提供了新的见解，也为工业级环境污染治理提供了可行的解决方案。
【图文解读】
1. Co-SACs结构与缺陷调控
本研究采用固相热解法，以尿素和氢
氧化钴为前驱体，在550℃空气中合成了负载于g-C₃N₄上的Co-N₃O₁单原子催化剂(图1a)。后续通过水热处理(90℃, 12 h)成功将其转化为Co-N₂O₂，实现了配位环境从N主导向O参与的精准调控。AC-HAADF-STEM图像(图1b, c)显示Co原子以孤立亮点的形式均匀分布，EDS图谱进一步证实其空间分散性。SEM与TEM图像表明所有样品均呈现褶皱纳米片结构，且无金属纳米颗粒存在，结合BET结果确认其具有介孔特征。AFM分析显示Co-N₂O₂的厚度(0.7 nm)较Co-N₃O₁(1.4 nm)显著减小，说明水热处理有助于形成更薄的纳米片结构。
XRD图谱(图1d)显示Co掺杂后(002)峰向高角度偏移，表明层间距略有减小，这与Co原子的成功嵌入相一致。FT-IR与¹³C-NMR(图1e)证实所有样品均保留了g-C₃N₄的基本骨架结构，未因Co掺杂或水热处理而破坏。Raman光谱中Co-N₂O₂的I_D/I_G值(3.35)高于Co-N₃O₁(3.19)，说明其具有更高的结构缺陷密度(图1f)。EPR谱图(图1g)中g = 2.0039处的信号进一步证实了氮缺陷的存在，且Co-N₂O₂信号更强，表明其缺陷浓度更高。XPS分析(图1h)显示水热处理后C–O含量上升而C=N–C含量下降，说明O取代部分N参与了配位结构的重构。
2. Co价态与N/O配位环境解析
通过同步辐射XAS技术进一步揭示了Co的价态与配位环境(图2)。XANES谱图(图2a)表明Co的价态介于+2与+2.75之间。FT-EXAFS谱图(图2c)中未出现Co–Co或Co–O–Co散射路径，证实Co为原子级分散。Co-N₂O₂的第一壳层配位距离(1.56 Å)大于Co-N₃O₁(1.53 Å)，说明其配位环境中O比例增加。WT分析(图2d)与EXAFS拟合结果(图2e,f)进一步确认Co-N₂O₂的配位结构为Co-N₂.₁₅O₂.₀₆，符合设计的配位重构目标。
3. Co-SACs催化性能与ROS机理
在PMS活化降解SMX的实验中(图3a)，Co-N₂O₂表现出最优性能，10分钟内对100 mg/L SMX的降解率达98.16%，显著高于Co-N₃O₁(89.45%)及无Co载体。动力学常数k_obs随Co负载量呈现火山型趋势，最优负载量为3.6%。水热处理时间优化表明，12小时为配位转变的最佳时长(图3b)。Co-N₂O₂在宽浓度范围(5–100 mg/L)内均保持高效降解能力，且在多种有机污染物(如BPA、MB、SDZ等)中展现出广谱适用性。循环实验(图3c)显示其具有良好的稳定性，经简单水热再生后可恢复至96.16%的活性。
通过淬灭实验、化学探针与EPR等手段系统揭示了反应中的活性物种(图3d–h)。结果表明，Co-N₂O₂/PMS体系主要经由非自由基途径(¹O₂、HVMO、ETP)降解SMX，而·OH与·O₂⁻贡献微弱。DPBF与PMSO探针实验(图3e,f)进一步证实Co-N₂O₂具有更强的¹O₂生成能力与HVMO物种浓度。EPR谱图中DMPOX信号的出现(图3g,h)为HVMO的存在提供了直接证据，且Co-N₂O₂体系信号更强，说明其非自由基路径更为主导。
4. Co-SACs电化学ETP性能解析
电化学测试(图4)显示，Co-N₂O₂具有更高的阳极电流密度(图4a,b)、更大的CV曲线面积(图4c)以及更低的电荷转移电阻(图4f)，表明其具有优异的电子存储与转移能力，有利于促进界面电子转移过程(ETP)，进一步支撑其在PMS活化中的高效性。
5. 公斤级Co–SACs合成与应用
本研究成功实现了Co-SACs的公斤级合成(图6a)，成本约为34.68美元/公斤(图6c)。kg-Co-N₂O₂在降解SMX(图6b)与实际垃圾渗滤液(图6d)中均表现出与克级样品相当的优异性能。14次循环实验(图6e)与10小时动态膜反应(图6f)显示其具备出色的稳定性与连续运行能力，Co溶出量极低(0.17 mg/L)，具备良好的环境适用性。
【总结展望】
总之，本研究提出了一种经济高效且可规模化合成Co单原子催化剂的方法，并通过水热策略实现了O配位数的提升。多种光谱技术(XAS、XPS和Raman)共同证实了Co-N3O1向Co-N2O2结构的成功调控。结合ROS分析与DFT计算的机理研究表明，优化后的Co-N2O2结构能够通过1O2、HVMO和ETP等非自由基途径显著增强PMS活化能力。进一步实现公斤级规模合成，其成本仅为34.68美元/千克，并在复杂废水处理中的有效性得到验证，成功架起了从基础配位化学到实际环境应用的桥梁。该成果不仅加深了对SACs–PMS活化中结构–性能关系的理解，也为环境修复的工业化应用提供了切实可行的方向。
文献信息：Coordination Reconstruction Enhanced Synergistic Nonradical Oxidation Pathways in Cobalt Single‐Atom Catalysts for Sustained Pollutant Destruction. Lin Liu;Bo Chen;Tong Wu;Mingzhi Li;Hairong Chen;Yuanyuan Ge;Zhili Li. ISSN: 1433-7851 , 1521-3773; DOI: 10.1002/anie.202508330. Angewandte Chemie., 2025.
Net-Zero Upcycling of Mixed Polyolefins by Spatially Homogeneous Joule Heating
Yilong Yan;Ze Lin;Bincheng Xu;Ying Wang
ISSN: 0013-936X , 1520-5851; DOI: 10.1021/acs.est.5c05754
Environmental science & technology. , 2025
DOI
超快高温焦耳热冲击技术推广
01 超快高温焦耳热冲击技术介绍 焦耳高温加热技术，特别是闪蒸焦耳热和快速焦耳热技术，是材料科学领域的一项重大革新。凭借其无与伦比的加热速度和精确的温度控制，这项技术为材料制备和性能研究带来了全新的视角。该技术基于焦耳定律，通过大电流产生的电阻热，在极短时间内实现材料的快速升温，甚至能在1秒内将材料加热至3000-4000℃的高温。这种极速的温度变化为材料制备和处理提供了前所未有的可能性。焦耳高温加热技术显著超越了传统加热方法，如马弗炉和管式炉，其加热速度之快，远非传统加热设备所能比拟。
马弗炉、管式炉升温装置VS焦耳热升温装置
02 焦耳高温热冲击装置 焦耳高温热冲击材料制备装置可实现毫秒级别升温和降温，能达到1秒内升温至3000K的效果，试验样品可以是薄膜、块体、粉末等。对比现在常用的马弗炉、管式炉升温慢、加热时间长等缺点，极大地节约了科研人员宝贵的科研时间，并且会有与马弗炉和管式炉不同的冲击效果。该装置可抽真空或者是通氛围气体使用，还可以根据要求进行定制。公司致力于实验室(超)高温解决方案。目前我公司设备已广泛应用于能源催化材料、
石墨烯等二维材料、高熵化合物、陶瓷材料等材料的超快速高质量制备。
1)焦耳加热装置标准版
2)焦耳加热装置通量定制版
03 应用成果
Ultrarapid Nanomanufacturing of High‐Quality Bimetallic Anode Library toward Stable Potassium‐Ion Storage. Angewandte Chemie., 2023. DOI: 10.1002/anie.202303600Ultrafast Non-Equilibrium Phase Transition Induced Twin Boundaries of Spinel Lithium Manganate, Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302484High-temperature shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles for catalysis. Chinese Journal of Catalysis, 2023. DIO: https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64428-6.Rapid High-Temperature Liquid Shock Synthesis of High-Entropy Alloys for Hydrogen Evolution Reaction. ACS nano., 2024. DOI: 10.1021/acsnano.3c07703
Rapid, in Situ Synthesis of High Capacity Battery Anodes through High Temperature Radiation-Based Thermal Shock. Nano Letter 2016, 16 (9), 5553-5558. DOI:10. 1021/acs.nanolett.6b02096.
High-Temperature Shock Enabled Nanomanufacturing for Energy-Related Applications. Advanced Energy Materials 2020, 10 (33), DOI: 10. 1002/aenm.202001331. 04
仪器信息可参阅
声明：
“广西大学Angew：公斤级规模化合成单原子催化剂用于复杂废水处理” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
936
编辑：北方有色网
来源：广西大学
咨询细节
