Facile cascade-anchored synthesis of ultrahigh metal loading single-atom for significantly improved Fenton-like catalysis

催化作用 金属 草酸 过渡金属 价(化学) 材料科学 贵金属 化学工程 组合化学 纳米技术 密度泛函理论 人体净化 螯合作用 聚合物 反应条件 无机化学 反应速率常数 电子 价电子 能量密度 活化能
作者
Shuaishuai Li,Wei Wang,Huizhong Wu,Xuechun Wang,Shihu Ding,Jingyang Liu,Xiuwu Zhang,Jiangli Sun,Chunhong Fu,Minghua Zhou
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 8796-8796 被引量:32
标识
DOI:10.1038/s41467-025-63858-5
摘要

Abstract It is important to break the low metal loading limited by stringent conditions and reveal the catalytic behavior of single-atom catalysts (SACs) governed by individual and interacting sites. Here, a facile and universal synthesis strategy was employed to achieve the highest loading of transition metals (Fe 41.31wt%, Mn 35.13wt%), rare-earth metals (La 28.62wt%), and noble metals (Ag 27.04wt%) to date. Systematic investigation confirms that the powerful ligand-chelation between oxalic acid and metal ions, as well as the simultaneously generated entangled polymer networks are crucial for achieving high-loading SACs. High single-atoms density induced site-intensive effects and site-to-site interactions, which regulated the local electron density of the catalyst, altered the electronic structure of metal, and shifted the valence state toward the metal. As a demonstration, the activation of peroxymonosulfate (PMS) for sulfamethoxazole degradation showed a significant dependence on catalyst site density, with the rate constant at least 1-2 orders of magnitude higher than that of most current SACs. The higher metal loading increased the potential jumps in Fenton-like reaction, promoted the electron transfer and reduced the energy barrier of the rate-determining step in 1O2 generation. This material also showed promising prospect for real wastewater treatment due to its high decontamination efficiency and application stability. The cascade-anchoring synthesis strategy, which can maximize the atomically dispersed metal loadings and simultaneously enhance the reactivity, is universally applicable. It is anticipated that it will take SACs a step closer to practical applications.
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