深度科學| 同日兩篇Nat. Commun.：調控單原子Fe微環境“精準施法”凈化污水

編者語：

“兩篇論文均圍繞單原子 Fe 催化劑，作為主角，并致力于通過調控其局部微環境來提升性能。但“戰術”截然不同：一篇是改變單原子 Fe “內在性格”，另一篇則安排一位“搭檔”，上演“雙人舞”。”

1、2026.03.30：Nat. Commun., 2026, https://doi.org/10.1038/s41467-026-71163-y.

2、2026.03.30：Nat, Commun., 2026, https://doi.org/10.1038/s41467-026-70907-0.

01

背景介紹

水，是我們賴以生存的基礎。然而，隨著工業化和城市化進程，各種難以被自然降解的有機污染物，如藥物、農藥、化工原料等，正通過各種途徑進入水體。這些“微污染”像隱形殺手，對生態系統和人類健康構成長期威脅。如何高效、綠色地將它們從水中清除，是科學家們面臨的重大挑戰。

高級氧化技術（圖1）是當前處理這類頑固污染物的“明星方案”。其核心原理是利用催化劑激活過氧化物（如過氧乙酸、過一硫酸鹽等），產生高活性氧化物種，將大分子的有機物徹底“撕碎”成無害的小分子物質。然而，傳統的催化劑常常是“粗放式”攻擊，效率不高，對復雜水體適應性差，還容易“自損八百”，即催化劑自身會失活。

圖1. 高級氧化過程

近年來，單原子催化劑的出現帶來了革命性希望。這種催化劑將貴重的金屬（如鐵、鈷）以單個原子的形式分散在載體上，實現了原子利用率最大化，就像將每一分“兵力”都用在刀刃上。但單個原子催化劑也面臨新問題：單一的活性位點既要負責吸附污染物，又要負責激活氧化劑，兩者常常“打架”，互相干擾，限制了效率進一步提升。

圖2. 單原子催化劑應用于水處理

在此背景下，兩篇文章分別提出了兩種精妙的“微操”策略，讓單原子催化劑從“單兵作戰”升級為“體系作戰”，為解決這一難題指明了方向。

02

圖文解析

1.軸向氧配位驅動自旋調控電子轉移（FePc-O-AND）

2026年3月30日，阿德萊德大學段曉光教授、武漢大學張暉教授和南昌航空大學任偉副教授團隊在Nature Communications在線發表了題為“Axial oxygen coordination drives spin-regulated electron transfer in single-atom Fe catalysts for selective pollutant transformation”的研究論文，提出軸向氧配位策略制備基于納米金剛石的單原子鐵催化劑，用于高效活化過氧乙酸實現酚類污染物的聚合去除。

圖3. 實際應用潛力

（1）催化劑設計與表征

將鐵酞菁分子（FePc，一種經典的平面FeN4結構）通過軸向氧鍵錨定在退火納米金剛石上，形成了獨特的FeN4-O五配位結構（圖4）。這多出來的一個“軸向氧”配體，不僅是從物理上多了一個連接點，更深層地，它改變了鐵原子核心的電子自旋狀態。通過多種先進的表征手段（如穆斯堡爾譜、X射線吸收譜），研究者發現：

沒有“軸向氧”的催化劑（FePc-AND）處于高自旋態，所有電子軌道幾乎被占滿，像一只攥緊的拳頭，難以從軸向與外界有效互動。

擁有“軸向氧”的催化劑（FePc-O-AND）則轉變為中自旋態，其垂直于平面的 dz2軌道變得空置。這就像拳頭松開，伸出了一根準備“抓取”的手指（見圖5）。

圖4. 催化劑的合成與結構表征

（2）全新的攻擊路徑：內球電子轉移

這個空置的dz2軌道，為過氧乙酸活化提供了完美的“插座”。PAA分子通過其羥基氧（-O-H）精確地軸向配位到鐵原子上，形成了一個緊密的、表面束縛的“催化劑-PAA*”復合物（圖5h-j）。

形成這個復合物，意味著反應從傳統、依賴隨機碰撞的“外球”機制，轉變為高效、定向的“內球”電子轉移機制。電子直接從污染物“跳”到這個復合物上，實現氧化，過程中不產生任何羥基自由基、硫酸根自由基或高價鐵氧物種。

圖5. 催化活性及反應機理

（3）結果與優勢

超高效率與選擇性：該體系能以高速率（2.11 min-1）將酚類污染物（如4-氯酚）氧化，并特異性地將其聚合成高分子量的多酚聚合物，而非徹底礦化。這實際上實現了“污染變資源”的轉化（圖3-圖5）。

卓越的穩定性：軸向Fe-O鍵非常牢固，催化劑連續運行130 h后，活性幾乎不衰減，鐵溶出量極低，遠低于飲用水標準。

強大的抗干擾能力：由于是緊密的內球機制，水體中常見的無機鹽離子、天然有機物等幾乎不影響其催化性能，在海水、河水中都能穩定工作。

2.雙位點單原子催化劑實現定向吸附-氧化控制（FeNv）

2026年3月30日，重慶大學陳飛教授、許小偉博士、段丕俊助理研究員和四川大學何傳書研究員團隊在Nature Communications在線發表了題為“Dual-site single-atom catalysts achieve directional adsorption-oxidation control for enhanced photo-Fenton-like reactions”的研究論文，提出了富含氮空位的單原子鐵雙位點催化劑，驅動可見光活化過一硫酸鹽降解四環素。

圖6. 催化系統中污染物演變模式及實際毒性評估

（1）催化劑設計與表征

在石墨相氮化碳（g-C3N4）中，同時構建了兩種缺陷/位點：

氮空位：在g-C3N4的骨架上移除一個氮原子，形成一個電子富集的“陷阱”。

鐵單原子位點：在氮空位附近，錨定一個鐵單原子，形成Fe-N4結構。這兩個位點在原子尺度上緊密相鄰，構成了“雙活性位點”對（圖7）。

圖7. 催化劑設計及結構表征

（2）精密的分工與協同

氮空位是“吸附官”：理論計算和實驗表明，氮空位對污染物（如四環素TC）具有強烈的特異性吸附作用，能將污染物分子“捕獲”并富集在反應中心附近（圖8）。

鐵位點是“攻擊手”：在可見光照射下，g-C3N4產生光生電子和空穴。氮空位作為電子陷阱，收集光生電子并將其快速傳遞給相鄰的鐵位點，將Fe3+還原為高活性的Fe2+。Fe2+位點則專門負責吸附并活化氧化劑過一硫酸鹽（圖8）。

聯動形成“流水線”：整個過程就像一個高效的流水線，氮空位抓取TC（污染物） → 光生電子通過氮空位傳給鐵位點 → 鐵位點激活PMS產生多種活性物種（?OH, SO4?-,1O2等）→ 活性物種就近氧化已被富集的TC。吸附與氧化在不同位點同步進行，互不干擾，極大地提升了整體效率（圖8）。

圖8. 通過雙位點實現反應物的同步吸附與活化增強

（3）結果與優勢

光催化協同：巧妙利用可見光能，不僅驅動了反應，還實現了電子在雙位點間的定向流動，強化了PMS的活化。

超快礦化：體系能產生豐富多樣的自由基和非自由基活性物種，對四環素等污染物實現了快速、徹底的礦化（轉化為CO2和H2O）。

智能驗證：研究者甚至采用了機器學習模型（XGBoost）來分析影響催化性能的關鍵因素，確認“氮含量”（關聯氮空位）和“金屬類型”（關聯鐵位點）是核心描述符，從數據角度反向驗證了雙位點設計的重要性（圖9）。

圖9. 基于機器學習的優化控制與關鍵因素重新評估系統

3.異同點總結對比表

第一篇

第二篇

共同點

核心策略

調控單個活性位點的本征屬性（自旋與軌道）。

構建兩個相鄰位點，進行功能分工與協同。

都致力于超越傳統單一位點限制，通過原子級結構設計提升催化性能。

催化機制

純粹的非自由基路徑（內球電子轉移）。生成表面束縛PAA*復合物。

自由基與非自由基混合路徑。生成?OH, SO4?-, 1O2等多種活性物種。

都涉及過氧化物（PAA/PMS）的活化，并追求高選擇性的污染物轉化。

目標產物

選擇性聚合：將酚類轉化為高分子聚合物。

深度礦化：將污染物徹底氧化為CO?和H?O。

都實現了污染物的高效、快速去除，并探究了產物去向與毒性。

能量來源

主要依靠化學能（PAA氧化還原電勢），非光驅動。

可見光驅動，光能與化學能協同。

催化劑本身是反應的核心。

03

總結

這兩項研究如同一枚硬幣的兩面，共同展示了催化科學在原子尺度上的精妙絕倫。第一篇如同“微觀外科手術”，通過為鐵原子添加一個配體（軸向氧），精準調控其電子自旋，使其獲得了一種獨特的、將污染物“縫合”成聚合物的能力，強調選擇的精確與過程的堅固。第二篇則像“分子級流水線設計”，通過構建分工明確的氮空位與鐵原子“雙人組”，實現了污染物吸附與氧化活化的高效協同，強調功能的分配與協同的威力。它們從不同路徑解決了單原子催化劑“兼職”導致的效率瓶頸，將水處理催化從“大力出奇跡”推向“精準施法”的過程。

04

展望(巨人肩上前行)

1. 將“軸向配位調控自旋”與“雙位點分工協同”思想結合，設計同時具有軸向配體和雙功能位點的超級催化劑，實現更復雜污染物的識別、捕獲與定向轉化。

2. 單原子Fe催化劑設計及應用于合成。

文獻信息

1. Fei Miao, Yantao Wang, Hongyu Zhou, Shuang Zhong, Jingkai Lin, Wen Xu, Xiting Yue, Wei Ren, Hui Zhang, Shaobin Wang, Jitraporn Pimm Vongsvivut & Xiaoguang Duan, Axial oxygen coordination drives spin-regulated electron transfer in single-atom Fe catalysts for selective pollutant transformation, Nat, Commun., 2026,https://doi.org/10.1038/s41467-026-71163-y.

2. Chang-Wei Bai, Yi-Jiao Sun, Xin-Tong Huang, Jin-Qi Jiang, Zhi-Quan Zhang, Pi-Jun Duan, Xin-Jia Chen, Jin-Song Guo, Xiao-Wei Xu, Chuan-Shu He & Fei Chen, Dual-site single-atom catalysts achieve directional adsorption-oxidation control for enhanced photo-Fenton-like reactions, Nat, Commun., 2026, https://doi.org/10.1038/s41467-026-70907-0.

聲明：

1. 版權：推送內容僅供學習交流分享使用，無任何商業用途，如有侵權，請聯系后臺刪除或修改，感謝支持。

2. 投稿：非常歡迎各位老師在公眾號上介紹課題組前沿或經典研究成果！后臺或郵箱聯系即可！

3.合作：本平臺可推廣學術會議、培訓或科研產品，具體事宜可聯系后臺。