基于过一硫酸盐（PMS）的高级氧化过程因其具有在宽pH范围内产生高活性氧（ROS）的能力，成为有前景的水净化技术。
然而，自由基的功效受到水中阴离子和有机物的干扰，而非自由基尤其是单线态氧（1O2），因其良好的选择性和持久性受到广泛关注。
2025年1月18日，上海交通大学罗金明副教授团队在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Metal-organic cage crosslinked nanocomposites with enhanced high-temperature capacitive energy storage performance》的研究论文，Junjun Pei为论文第一作者，罗金明副教授为论文通讯作者。
罗金明，上海交通大学副教授，博士生导师，入选全球前2%顶尖科学家榜单（2023）。在中国科学院生态环境研究中心获博士学位，随后在美国佐治亚理工学院从事博士后研究。
罗金明副教授的研究方向围绕水污染控制与资源化，关键金属、新污染物去除/回收与机制研究，以及环境功能材料设计、开发与基础、应用研究。
在这项研究中，作者引入了一种高效的非金属碘单原子催化剂（SAC），称为I-NC，它被战略性地限制在氮掺杂碳（NC）支架中。
这种构型具有独特的C-I配位，优化了氮邻近碳位点的电子结构，使这种排列能够促进电子从过一硫酸盐（PMS）转移到活性位点，特别是缺电子碳位点的电子转移。
电子转移之后的去质子化过程会生成过一硫酸根（SO5·-），随后，SO5·-自由基发生歧化反应，产生单线态氧（1O2）。
此外，与NC支架中的1.65 eV相比，I-NC中SO5·-生成限速步骤的能垒（1.45 eV）显著降低。这种能量垒的减少有效地克服了动力学障碍，从而促进了1O2的产生。
因此，I-NC催化剂在PMS活化中表现出了显著的催化效率和优异的反应活性。与其他金属SAC相比，I-NC催化剂的动力学速率常数相对较高（Kobs约0.436 min-1），加快了污染物的降解速度。
该研究为合理设计有效的非金属SACs提供了有价值的见解，展示了它们在水处理中进行类似芬顿反应的应用前景。
图1：I-NC催化剂的制备及结构表征
图2：所制备催化剂的电子态和原子结构表征
图3：类似芬顿反应的催化性能、活性物种识别和反应过程表征
图4：用于阐明潜在机制的DFT计算
图5：I-NC/PMS系统在水净化中的应用潜力
综上，作者利用具有NH4l蚀刻的CVD工艺来合成锚定在N掺杂的碳衬底上独特且能够良好分散的I单原子。
DFT计算表明，与碳相邻的石墨氮的电子结构可以通过在非金属I单原子中构建C-I配位来进行优化。
这种独特的配位构型有利于电子从PMS转移到活性位点，降低了1O2形成的能垒，从而提高了I-NC催化剂的类似芬顿活性。
此外，I-NC催化剂在降解微污染物方面具有较高的氧化选择性和抗干扰能力，具有良好的类似芬顿氧化效率。
柱实验已经证明了I-NC在实际应用中的巨大潜力，展示了其在30天内连续有效地去除CIP和TOC的能力。
作者的工作为设计和合成非金属单原子掺杂碳基催化剂用于高效类似芬顿反应开辟了一条途径。
Pei, J., Liu, J., Fu, K. et al. Non-metallic iodine single-atom catalysts with optimized electronic structures for efficient Fenton-like reactions.Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56246-6.
