Dual-site single-atom catalysts achieve directional adsorption-oxidation control for enhanced photo-Fenton-like reactions

催化作用 氧化剂 污染物 环境修复 吸附 降级(电信) 废水 化学工程 工作(物理) 动力学 多相催化 化学 石墨氮化碳 材料科学 生化工程 纳米技术 地下水修复 级联 活性炭 碳纤维 环境科学 氮气 过程(计算) 污水处理 氧化还原 催化氧化 协同催化 氮化物 计算机科学 能量载体
作者
Chang‐Wei Bai,Yi-Jiao Sun,Xin-Tong Huang,Jin-Qi Jiang,Zhiquan Zhang,Pi-Jun Duan,Xin-Jia Chen,J.H. Guo,Xiao-Wei Xu,Chuan-Shu He,Fei Chen
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-026-70907-0
摘要

Heterogeneous Fenton-like systems activated by peroxymonosulfate represent promising platforms for organic wastewater treatment but are significantly hampered by competing adsorption and catalytic oxidation processes at identical active sites. To resolve this critical bottleneck, we develop a diverting dual-site catalyst comprising nitrogen-vacancy (Nv) sites precisely integrated adjacent to iron (Fe) single-atom sites within a carbon nitride framework. This spatially optimized configuration markedly enhances electron mobility and accelerates electron-hole separation under visible-light irradiation, thus enabling the concurrent generation of radical and non-radical oxidizing species. Consequently, the catalytic activity is substantially elevated. Mechanistic insights reveal that Nv sites preferentially anchor pollutants through selective adsorption, while the neighboring Fe sites actively facilitate oxidant activation, establishing a synergistic electron-transfer cascade that significantly boosts pollutant degradation kinetics and catalyst durability across various operational scenarios. Comprehensive experimental analyses coupled with theoretical simulations rigorously validate this dual-site catalytic mechanism. Additionally, life-cycle assessment (LCA) and electrical energy per order (EE/O) evaluations demonstrate the economic viability and reduced environmental impacts of the developed catalyst system. Furthermore, the integration of machine learning methodologies optimizes catalytic performance and elucidates the discrete functional contributions of the dual-site arrangement. Collectively, this work establishes an advanced framework for single-atom catalyst design, paving the way toward sustainable, efficient, and eco-friendly wastewater remediation technologies.
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