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【DFT+實驗】Nature子刊：主客體相互作用誘導(dǎo)動態(tài)活性位點，促進(jìn)類Fenton反應(yīng)處理有機廢水

目前，不可生物降解有機污染物的排放造成了嚴(yán)重的水污染，基于過硫酸鹽(PDS和PMS)的類Fenton工藝在水處理中受到廣泛關(guān)注。過硫酸鹽活化的第一步是通過在金屬中心上吸附過硫酸鹽來獲得電子轉(zhuǎn)移，然后產(chǎn)生活性物質(zhì)，包括自由基(即O2?^?，?OH和SO₄?^?)和非自由基物質(zhì)(即¹O₂，高價金屬和金屬-PMS復(fù)合物)。

近年來，基于對金屬活性位點微環(huán)境的調(diào)控，人們致力于探索具有較高電子轉(zhuǎn)移的金屬活性位點，并了解過硫酸鹽活化過程中自由基轉(zhuǎn)化的機制。然而，在實際反應(yīng)過程中，由于催化劑與反應(yīng)物分子之間存在界面雜化，催化劑的局部結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生動態(tài)變化。

近日，南開大學(xué)展思輝和天津大學(xué)李軼等通過La和Co摻雜對SrTiO₃單元進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)修飾(STLC)，以實現(xiàn)SrTiO₃單元的動態(tài)變化，并首次研究了STLC中單元的動態(tài)變化與其在類Fenton反應(yīng)中的催化性能之間的關(guān)系。

結(jié)果表明，PMS分子和鄰硝基苯酚(ONP)分子可以有效地吸附在STLC上，并在反應(yīng)過程中誘導(dǎo)不同取向的O-Sr-O和Co/Ti-O鍵的可逆拉伸振動。

XAS和密度泛函理論(DFT)計算表明，STLC的規(guī)律動態(tài)結(jié)構(gòu)變化通過調(diào)節(jié)e_g軌道增強了金屬-O鍵的強度，促進(jìn)了PMS活化過程中的電子轉(zhuǎn)移。

同時，PMS的末端O被吸附在STLC的Co位點上，這一過程有效地促進(jìn)了關(guān)鍵SO₅*中間體的生成，有利于Co活性中心上過硫酸鹽生成¹O₂和SO₄?^?。

得益于高效的反應(yīng)物種產(chǎn)生以及對各種環(huán)境因素的抗性，STLC顯示出顯示出對類Fenton激活的出色的效能和穩(wěn)定性，并且在各種類型的有機物去除和不同的水基體處理方面也表現(xiàn)出了良好的性能。

綜上，該項工作不僅為類Fenton反應(yīng)機理的研究提供了基礎(chǔ)性的見解，還為在原子水平上合理設(shè)計類Fenton催化劑提供了策略。

Dynamic Active-site Induced by Host-guest Interactions Boost the Fenton-like Reaction for Organic Wastewater Treatment. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39228-4

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