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Halogen‐Driven Electronic Modulation of Single‐Atom Fe Sites for Universal Non‐Radical Catalysis

掺杂剂 材料科学 催化作用 密度泛函理论 电子顺磁共振 吸附 光化学 加合物 亲核细胞 极化率 极化(电化学) 无机化学 位阻效应 物理化学 苯酚 双酚A 碳纤维 电子转移 化学工程 化学物理 级联 电子结构
作者
Rui Lv,Liying Wang,Nanyue Xu,Z Y Zhao,Guoliang Li
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e73634-e73634
标识
DOI:10.1002/adma.73634
摘要

ABSTRACT Selective and matrix‐tolerant advanced oxidation processes (AOPs) are essential for treating real waters. Iodine‐polarized Fe–N 4 single‐atom sites in N‐doped carbon (Fe–NI–C) are engineered to molecularly adsorb peroxymonosulfate (PMS) and lower its activation barrier, enabling ultrafast, non‐radical phenol oxidation. Fe–NI–C/PMS achieves complete removal within 2 min ( k obs = 4.098 min −1 , 195‐fold over N–C) with 71.2% total organic carbon abatement, maintaining near‐quantitative activity from pH 3–11 and in tap, river, and seawater. Electrochemical, quenching, and EPR assays decipher an electron‐transfer‐to‐singlet‐oxygen cascade (ETP → 1 O 2 ): a surface Fe–PMS* adduct triggers interfacial electron flux, producing 1 O 2 as the selective oxidant while suppressing free‐radical and matrix scavenging. Spin‐polarized density functional theory (DFT) shows iodine upshifts the Fe 3d band toward E_F, strengthens Fe 3d–PMS σ* coupling, stabilizes side‐on O–O adsorption (E ads = –1.89 eV), and lowers the transition‐state barrier to 0.35 eV. Activity follows I > Br > Cl > F, consistent with dopant polarizability and Bader charge transfer (up to 0.88 e). Intrinsic metrics (turnover frequency, TOF; K ac ) confirm site‐level acceleration beyond textural effects. These results establish soft‐ligand electronic polarization of Fe–N 4 as a programmable route to radical‐free, selective, and matrix‐robust PMS activation for advanced water purification.
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