太原科技大学/太原理工大学ACB: 通过Co₁-ZnO单原子催化剂强化过一硫酸盐活化:可规模化机械化学合成及电子金属-载体相互作用

第一作者：张艺萱

通讯作者：太原理工大学 任腾飞、太原科技大学 何秋生

通讯单位：太原科技大学、太原理工大学

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126989

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近日，太原科技大学何秋生教授和太原理工大学任腾飞副教授合作在Applied Catalysis B: Environment and Energy上发表了题为“Boosting peroxymonosulfate activation with Co₁-ZnO single-atom catalyst: Scalable mechanochemical synthesis and roles of electronic metal-support interaction”的研究论文。单原子催化剂（SACs）因其能有效活化过一硫酸氢盐（PMS）而在水处理领域受到越来越多的关注。但目前对其内在作用机理，尤其是电子金属-载体相互作用（EMSI）的影响认知尚且有限，且SACs催化剂的规模化制备仍面临巨大挑战。本文利用极具工程前景的机械化学方法，成功实现了氧化锌基单原子钴催化剂（Co₁-ZnO）的百克级合成，其中Co金属单原子与ZnO载体之间的EMSI显著增强了其反应活性。Co₁-ZnO/PMS体系可以实现水中双酚A（BPA）的100%去除，其准一级反应速率常数（k_obs）为0.269 min^-1，转换频率（TOF）为0.719 min^-1。材料表征和密度泛函理论（DFT）计算表明，Co活性位点以原子级形式均匀分散于ZnO载体上，形成稳定的Co-O₄配位构型。其中，EMSI会引发界面电荷重新分布，Co位点电子密度降低、d带中心上移，促进了PMS的吸附与活化，加速活性氧物种的生成。Co₁-ZnO/PMS体系通过自由基和非自由基协同机制去除BPA，SO₄^•‒和•OH是主要的活性物种。此外，Co₁-ZnO还表现出优异的稳定性、较强的环境适应性及产物低毒性。这项研究不仅为SACs的大规模制备提供了前景广阔的策略，还展示了EMSI在提升PMS催化活性方面的巨大潜力。

背景介绍

当前，水环境中新兴污染物（ECs）的治理问题愈发突出。基于PMS的高级氧化技术因其能够产生强氧化性的活性物种，在去除难降解有机污染物方面展现出良好前景。近年来，SACs凭借其近100%的原子利用率、明确的活性位点以及独特的电子结构，受到广泛关注。其核心结构特征是孤立的金属原子锚定在碳材料、金属氧化物等载体表面。其中，单原子金属并不是“孤立工作”的，其与载体之间会产生电子金属-载体电子相互作用（EMSI），影响反应物（如PMS）的吸附方式与活化路径，决定反应速率和活性氧物种类型。EMSI本质上是连接“材料结构设计”与“催化反应性能”的核心桥梁，而其强化PMS活化的潜在机制有待系统阐释。同时，高性能SACs普遍面临制备复杂、难以规模化问题，限制了其实际应用。机械化学法操作简便、成本低廉且易于扩产，依靠机械能推动固相间反应与物化转变，实现金属组分原子级分散，为构建兼具高性能与可规模化的催化体系提供了新思路。因此，开发“可规模化制备+可调电子结构”的SACs，对于推动ECs高效治理具有重要意义。

本文亮点

(1) 利用简便易操作、绿色环保且成本低廉的机械化学法成功实现了氧化锌基钴单原子（Co₁-ZnO）的百克级规模化合成，用于PMS的有效活化进而实现水中BPA的高效去除，结合AC HAADF-STEM与XAFS等表征证实了“球磨+热解”制备策略无放大效应，百克级（＞100 g）与小规模（2.5 g）催化剂的微观结构和活化性能保持高度一致。

(2) 结合淬灭、EPR、分子探针、电化学、原位拉曼等实验结果和DFT理论计算，确认了该体系为自由基主导机理，阐释了Co₁-ZnO中EMSI提升PMS活化的内在机理和具体路径。

(3) 结合HPLC-MS和DFT计算，推测Co₁-ZnO/PMS体系中BPA的主要降解路径，ECOSAR、T.E.S.T评估和E. coli生物实验表明Co₁-ZnO/PMS体系可以实现BPA的高效去除及其产物低毒或无毒化。

(4) Co₁-ZnO中活性位点稳定、可重复使用性佳、抗水基质干扰能力强，对污染物适用范围广，表现出巨大的实际应用潜力。

图文解析

图1. Co₁-ZnO的合成与结构表征

图2. Co₁-ZnO对PMS的活化性能

图3. Co₁-ZnO/PMS体系中活性位点和活性氧物种鉴别

图4. Co₁-ZnO活化PMS的DFT理论计算分析

总结与展望

本研究提出了一种简便易操作且可规模化生产的无溶剂机械化学合成的创新设计思路，以商业化的乙酸钴和乙酸锌为前驱体，利用机械球磨结合热解工艺，在氧化锌载体上成功锚定了单原子钴(Co₁-ZnO)，并利用EMSI精准调控Co活性位点的局部电子结构，促进PMS的吸附与活化，显著提升对水中有机污染物的降解效率。Co₁-ZnO催化剂稳定性强、环境适用性广且生态毒性低，具备实际水处理应用价值。本研究不仅为SACs规模化制备提供可行策略，也进一步阐明了EMSI在PMS活化过程中的关键调控作用，为设计兼具强催化能力和宽环境适应性的水处理高级氧化材料提供理论和实践指导。

文献信息

Boosting peroxymonosulfate activation with Co₁-ZnO single-atom catalyst: Scalable mechanochemical synthesis and roles of electronic metal-support interaction, Applied Catalysis B: Environment and Energy, 397 (2026) 126989. 

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126989.