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Spin States of Fe‐N 4 Sites Regulates PMS Activation Pathways for Ultrafast Sulfamethoxazole Degradation

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作者
Jing Lu,Anting Ding,Luning Wang,Weirong Zhao,Kainan Zhang,Mandi Liu,Xiaofan Liu,Youzhi Li,Zhongjian Li,Donglei Wu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:22 (15): e14930-e14930 被引量:1
标识
DOI:10.1002/smll.202514930
摘要

The precise correlation between the spin configuration of single-atom Fe sites and the selectivity of peroxymonosulfate (PMS) activation pathways remains poorly understood, limiting the rational design of high-performance Fenton-like catalysts. Here, we report an atomically dispersed FeN4 catalyst (Fe1NC) featuring engineered low-spin and high-spin states via a sol-gel-derived, gas-phase-assisted carbonization strategy. The coexistence of tunable spin states enables ultrafast PMS activation, achieving over 95% sulfamethoxazole degradation (10 mg L-1) within 3 min (kobs = 0.96 min-1) and robust resistance toward coexisting ions, pH fluctuations, and diverse water matrices. Density functional theory calculations reveal a spin-state-dictated bifurcation of reactive oxygen species (ROS) pathways: low-spin FeN4 preferentially binds PMS at the hydroxyl oxygen and strengthens Fe 3d-O 2p orbital hybridization, thermodynamically promoting 1O2 formation; high-spin FeN4 stabilizes the N4Fe-O*-SO4 intermediate through a downshifted d-band center, kinetically lowering the energy barrier for Fe(IV) = O formation. These spin-regulated channels collectively create a nonradical-dominated oxidation regime (1O2: 57.0%, O2 -: 23.7%, Fe(IV) = O: 15.0%) that confers high selectivity toward electron-rich contaminants and minimal matrix interference. A Fe1NC-integrated membrane reactor further delivers stable > 85% removal over 7 h of continuous operation. This work establishes spin-state engineering as a mechanistic lever for directing ROS selectivity in single-atom PMS catalysis.
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