简体中文
English 最近发布
扬州大学Angew重磅成果：利用RapidXAFS解析Zn-B活性位点，实现类Fenton催化效率26倍提升！
全文速览
扬州大学研究团队通过引入B原子来策略性地调节Zn-N4位的电子结构，成功地解决了长期存在的挑战，从而开发出一种新型的单原子催化剂Zn-NBC，该催化剂对有机污染物的降解效果相比Zn-N4C显著提高了26倍。在各种条件下的综合实验评估，包括可变pH值，常见的无机阴离子，阳离子，不同的水基质和10 h连续流动系统，证实了催化剂的出色稳定性和适应性。这些结果突出了Zn-NBC在现实和复杂环境设置中的稳健性能。本研究依托安徽吸收谱仪器设备有限公司的RapidXAFS台式X射线吸收谱仪，精准解析了Zn–B配位结构与电子转移机制，为惰性金属中心的电子结构重构提供了重要技术支撑。
背景介绍
当前，抗生素滥用引发的水环境危机已成为全球公共卫生领域的重大挑战。抗生素残留导致水体中“超级细菌”和耐药菌株滋生，加速抗菌素耐药性传播，对生态系统和人类健康构成严重威胁。单原子催化剂（SACs）因原子级分散的活性中心、极高的原子利用率和优异的热稳定性，成为AOPs领域的研究热点。锌（Zn）是在地壳丰度高（75 ppm）、无毒且抗氧化的金属，具备成为绿色催化剂的潜力。然而其3d10全满电子构型导致电子迁移率低、氧化还原灵活性差，无法直接作为类Fenton反应的活性中心，锌基SACs在AOPs中的应用长期处于空白状态。
本文亮点
01 首次提出通过硼原子掺杂重构Zn-N4配位环境的策略，将电子惰性的Zn-N4位点转化为具有高催化活性的Zn-NB4-x位点，制备出新型催化剂Zn-NBC。这一设计从根本上解决了Zn3d10构型导致的氧化还原惰性问题。
02 相较于未改性的Zn-N4C催化剂，Zn-NBC对四环素（TC）的降解速率提升26 倍，且在低氧化剂消耗下实现高效污染物去除。
03 借助安徽吸收谱仪器设备有限公司的RapidXAFS，精准解析Zn-B配位结构与电子转移机制。
04 提出“异原子掺杂重构惰性金属电子结构” 的通用策略，为激活其他d10构型金属（如 Cd、Hg）的催化活性提供新思路。
05 填补锌基SACs在类Fenton反应中的应用空白，推动低成本、高稳定性AOPs 催化剂的工业化应用，为可持续环境修复提供关键技术支撑。
图文解析
图1.结构和形貌表征
通过AC-HAADF-STEM、EDS mapping等表征手段，证实Zn、B、N、C四种元素在Zn-NBC中均匀分布，无金属团聚现象，成功构建了原子级分散的Zn-NxB4-x活性中心。高分辨图像清晰展示其多孔碳载体与单原子分布特征，为后续催化性能提供结构基础。
图2.电子态与原子结构表征
XANES与EXAFS分析表明，Zn在Zn-NBC中的价态约为+1.7，处于Zn0与Zn2+之间。FT-EXAF谱中出现的1.44 Å和2.5 Å峰分别对应Zn–B/N和Zn–N–C配位壳层。RapidXAFS系统提供的高质量X射线吸收数据，为识别Zn–B键的形成提供了直接证据。
图3. Zn-NₓB₄₋ₓ配位结构的理论模型
DFT计算显示，Zn-B2N2@C-I构型具有最低的形成能，是最稳定的结构。B的引入显著调节了Zn的电子结构，增强了其与PDS的相互作用。
图4. PDS活化性能测试
Zn-NBC在宽pH范围（3–9）内均保持高催化活性，且在连续8次循环后仍保持90%以上活性，展现出优异的稳定性和适应性。
图5. 电化学性质与反应机理
EPR与淬灭实验表明，Zn-NBC/PDS体系主要通过¹O2和O2⁻•路径降解污染物。RapidXAFS测试的XAS数据结合电化学测试，揭示了B掺杂促进电子转移、增强PDS活化的机制。
图6. DFT计算PDS吸附行为
B掺杂显著增强了PDS在Zn位点上的吸附能，Bader电荷分析表明B原子作为电子受体，促进了Zn向PDS的电子转移。
图7. 实际应用潜力评估
Zn-NBC在真实水体（自来水、河水、湖水）中均表现出良好的降解性能，且在连续流反应器中运行10小时仍保持80%以上的去除率，显示出强大的工程应用潜力。
总结与展望
本研究通过B原子掺杂成功重构了Zn-N4位点的电子结构，显著提升了其类Fenton催化性能。安徽吸收谱仪器设备有限公司的RapidXAFS在原子结构解析、电子态表征等方面提供了关键技术支持，彰显了实验室级XAFS仪器在前沿催化研究中的重要作用。该工作不仅为Zn基SACs的设计提供了新思路，也推动低成本、高稳定性催化材料在环境修复中的实际应用。
