摘要
随着全球工业化的迅速发展,大量有毒污染物不断排入水体中,对水生态系统和人类健康构成了严重威胁.为应对这一挑战,人们发展高级氧化技术,其通过产生活性自由基,能够氧化并矿化有毒污染物.其中,利用非均相催化剂活化的过一硫酸盐高级氧化过程可产生多种非自由基活性物种,如单线态氧、催化剂-过硫酸盐复合体和高价态金属,这些物种具有选择性氧化特定污染物的能力.为了实现对污染物的精准处理,需要合理设计与调控非均相催化剂的结构,以选择性地产生自由基/非自由基物种.单原子催化剂具有较高的原子利用效率和明确可调控的活性位点结构,可高效且选择性活化过一硫酸盐,并产生多种活性组分.然而,由于活性组分多元的生成路径及其之间复杂的相互作用,目前对于单原子催化剂在过一硫酸盐活化过程中的结构-活性/选择性关系尚未得到深入揭示.因此,本研究旨在通过深入探究单原子催化剂的结构与性能关系,为优化催化剂设计、提升污染物处理效率提供科学依据.本文围绕最具代表性的单原子铁系催化剂,系统分析并总结了在过一硫酸盐高级氧化过程中的结构-活性/选择性关系.首先,简要介绍了单原子铁催化剂的制备方法和表征手段,以及活性位点结构的生成过程.然后,深入分析了单原子铁催化剂活化过一硫酸盐过程的研究进展和反应特性.从理论与实验角度,详细阐述了过一硫酸盐活化过程中活性物种产生的反应原理.具体来说,探讨了自由基、单线态氧、催化剂-过硫酸盐复合体和高价铁组分在不同单原子铁位点上的生成机理及鉴别方法.进一步地,分析了单原子铁催化剂活性位点的几何结构和电子结构性质对活性物种产生的影响,总结了调控活性位点的有效手段.在此基础上,建立单原子铁催化剂结构与产生活性组分之间的结构-活性/选择性关系,以期为非均相过一硫酸盐活化剂的设计提供理论指导.最后,本文还指出了基于单原子催化剂的过一硫酸盐高级氧化过程所面临的挑战,并展望了未来的发展方向.未来,应进一步发展原位/工况条件下的表征技术,以精准捕捉活化过程中活性位点的结构演变和关键反应中间体的生成,从而更深入地揭示反应机理;此外,设计具有双金属位点的催化剂,可优化多步骤反应中不同反应中间体的吸附与电荷转移过程,实现协同催化效果.本文期望为深入理解过一硫酸盐高级氧化技术的反应机理和开发高效选择性的单原子环境催化剂提供有益借鉴.
Abstract
Heterogeneous peroxymonosulfate(PMS)-based oxidation technology for water treatment requires innovative catalysts for efficient and selective production of desired reactive oxygen species(ROS),such as free radicals,singlet oxygen,catalyst-PMS*complexes,and high-valent metal-oxo species.Single-atom catalysts are featured with the maximized atom utilization as well as uniform and well-defined active sites,holding a great promise for effective and selective PMS activation.Howev-er,the structure-activity/selectivity relationships have not yet been well revealed owing to multiple ROS generation pathways and their complex interplay.Herein,we focus on the mechanisms of PMS activation by single-atom iron catalysts and identify the relationships of the geometric and elec-tronic structures of single atom Fe centers to selective production of different reactive spe-cies/pathways.Moreover,in situ/operando techniques to monitor the dynamic evolution of active sites under practical working conditions and design of binuclear metal sites for synergistic catalysis will also be discussed.
基金项目
澳大利亚研究委员会(DP230102406)
国家自然科学基金(22061132001)
国家自然科学基金(52100090)
中国留学基金委员会在阿德莱德大学一年研究资助(202106270136)
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