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Spin‐State Engineering of Fe Single‐Atom Catalysts for 1 O 2 ‐Mediated Degradation of Emerging Organic Pollutants

催化作用 电子转移 电子顺磁共振 化学 价(化学) 光化学 反应性(心理学) 原子轨道 污染物 单重态 降级(电信) 化学物理 氧化态 吸附 分子 分子轨道 单线态氧 电子结构 顺磁性 氧化还原 环境污染 自旋态 电离 化学工程 基态 材料科学 密度泛函理论 价电子 无机化学 电离能 电子 电子定域函数 多相催化 计算化学
作者
Mingzheng Yang,Haizhong Zhang,Yanchi Yao,Linbo Qian,Qile Fang,Weiting Yu,Shuang Song,Chao Zhu,Yi Shen
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: e13950-e13950
标识
DOI:10.1002/smll.202513950
摘要

ABSTRACT Emerging organic pollutants (EOPs) present structural diversity and complex reactivity in advanced oxidation processes (AOPs), yet the intrinsic physicochemical determinants of their degradation remain unclear. Here, Fe‐CN‐X catalysts with tunable Fe spin states were constructed by modulating nitrogen coordination, enabling systematic evaluation of pollutant‐catalyst interactions. Magnetic susceptibility and electron paramagnetic resonance analyses confirmed that Fe‐CN‐900 possesses the highest spin state (µ eff = 2.38), which favors electron occupation in e g orbitals and increases Fe─O charge density. This electronic configuration markedly enhances PMS adsorption and elevates singlet oxygen ( 1 O 2 ) yield from 48% (Fe‐CN‐700) to 85% (Fe‐CN‐900). Kinetic studies of 7 representative pollutants revealed a strong correlation between ionization potential and degradation rates. High‐spin Fe sites markedly promoted electron transfer from high‐ionization‐potential pollutants, while pollutant‐specific degradation trends highlighted diminishing catalytic enhancement for readily degradable molecules (e.g., BPA) but substantial improvement for recalcitrant species (e.g., NB). Theoretical calculations further demonstrated that pyrrolic N coordination redistributes Fe valence electrons, facilitating 1 O 2 ‐mediated electron transfer through vacant π* orbitals and lowering the electron escape barrier. This work establishes a direct mechanistic link between pollutant electronic properties and catalytic performance, providing theoretical guidance for rational spin‐state engineering of catalysts toward efficient and selective degradation of chemically resistant EOPs.
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