近日，我院王娜老师带领学生在单原子催化剂活化单过硫酸盐（PMS）降解水中有机污染物中取得新进展。相关成果以“Polyvinylpyrrolidone-induced size-dependent catalytic behavior of Fe sites on N-doped carbon substrate and mechanism conversion in Fenton-like oxidation reaction”为题在国际化学顶级期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（中科院一区，影响因子22.1）上发表。该论文的第一作者是河南先进技术研究院硕士研究生李皓月，通讯作者是我院王娜讲师和许群教授，郑州大学河南先进技术研究院为唯一通讯单位。此工作得到了国家自然科学基金的支持。

化石燃料、工业化学品和个人生活品的不断消耗引发了全球性的气候变化和水环境污染。基于PMS的高级氧化技术（Advanced Oxidation Technologies, AOTs）因在处理各种难降解污染物时的强氧化能力和稳定性受到广泛关注。大量研究表明，碳负载金属多相催化剂可以诱导单线态氧（1O2）主导的非自由基反应机理，另外，电子转移过程作为另一种典型的非自由基反应途径也被广泛研究。与自由基过程相比，非自由基过程对富电子污染物具有较高的选择性和对复杂水体环境较高的耐受性。因此，合理设计和调控催化剂以提高催化性能，实现反应机理从自由基过程向非自由基过程的转换是一个值得深入探究的课题，但目前相关的报道十分匮乏。

单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）因其充分的原子利用率和可调的电子结构在PMS-AOTs中表现出优异的催化活性。尽管人们一直致力于提高SACs的催化性能并研究其活化PMS的反应机理，但很少有人关注金属活性位点的尺寸效应与反应机理之间的内在联系。

本研究通过非溶剂一步热解策略合成了一系列Fe基氮掺杂碳催化剂（Fe/NC-XPVP）用于活化PMS降解水中有机污染物。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）在提高氮掺杂碳载体上Fe物种的分散性和促进Fe单原子形成中发挥了至关重要的作用。具有不同尺寸铁活性中心（Fe纳米颗粒/团簇/单原子）的Fe/NC-XPVP催化剂表现出不同的活化PMS降解水中有机污染物的性能。通过调节PVP的投加量，可以将催化剂中Fe纳米颗粒的尺寸有效缩小到原子水平，从而实现催化剂性能的提升和反应机理从自由基过程到非自由基过程的转变。密度泛函理论计算表明，PMS在Fe-N4位点的强吸附作用可促进催化剂/PMS*复合物的形成，并诱导电子转移机理，使得催化剂在复杂的水体环境中仍能保持良好的催化活性和抗干扰性。这项工作对于精准设计和调节氮掺杂碳材料上金属活性中心的化学环境和电子结构具有指导性意义，为污水治理和环境修复提供了一种具有广阔应用前景的多相催化剂。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123323