双向电子转移隧道设计实现臭氧催化水处理的高效性与可持续性突破

本研究针对传统臭氧催化水处理中催化剂活性与稳定性难以兼顾的难题，创新性地提出通过构建MnN3-Fe1@FeN4双向电子转移隧道，实现了臭氧催化效率提升3倍以上，连续运行260小时处理3125倍床体积的实际废水，为水净化技术提供了原子级调控新范式。

　　

水资源短缺与污染治理是全球性难题，传统水处理技术面临效率与可持续性的双重挑战。在高级氧化工艺(AOPs)领域，臭氧催化虽然前景广阔，但催化剂普遍存在"活性越高越不稳定"的悖论——就像短跑运动员难以兼顾爆发力与耐力。单原子催化剂(SACs)虽能提升活性，但孤立金属位点持续失电子导致的金属溶出问题，使其难以满足实际需求。这种困境犹如给赛车装上强劲引擎却缺乏可靠的冷却系统，严重制约着水处理技术的发展。

《Nature Communications》最新发表的这项研究给出了创新解决方案。研究人员设计出MnN₃-Fe₁@FeN₄双核催化剂，通过原子簇与单原子的协同作用构建双向电子转移隧道：内部隧道实现Mn/Fe位点间的电子快速补给，外部隧道通过表面活性物种(O、O₂)捕获污染物电子。这种设计既保证了臭氧高效活化，又维持了活性位点的电子平衡，相当于为催化剂装上了"涡轮增压"和"能量回收"双系统。

关键技术包括：1) 纳米笼封装结合异质位点沉积策略构建双核催化剂；2) 同步辐射X射线吸收精细结构(EXAFS)解析原子级结构；3) 原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)追踪表面活性物种；4) 密度泛函理论(DFT)计算电子转移路径；5) 固定床反应器进行实际废水验证。

【催化剂设计与表征】研究团队创新性地将Fe₁@FeN₄原子簇锚定在MnN₃单原子附近，通过共享氮桥形成间距0.34 nm的双核结构。HAADF-STEM显示该催化剂中三原子簇占比达81%，EXAFS拟合证实Mn-N配位数为3.2，Fe-N为3.8，形成独特的MnN₃-Fe₁@FeN₄构型。

【催化性能】在草酸(OA)降解测试中，Mn-Fe-NC催化剂速率常数(k_obs)达0.215 min^-1，是传统Fe/Mn-SACs的3-4倍，比金属氧化物催化剂高2-4个数量级。连续50次循环后活性保持95%以上，锰溶出量仅为对照组的1/5。

【反应机制】原位DRIFTS检测到885 cm^-1(O)和1268 cm^-1(O₂)特征峰，证实臭氧在催化剂表面高效分解。DFT计算显示Mn位点吸附能(E_ads)达-2.31 eV，电子转移分析表明Fe原子簇可向Mn位点补充0.35 e，形成动态电子平衡。

【实际应用】将催化剂负载于硅酸盐微球(Mn-Fe-NC@SC)构建固定床反应器，处理实际二级出水时，对苯并三唑(BTA)的去除率在120秒内达67%以上，连续运行260小时(处理3125倍床体积)后性能衰减<10%。

这项研究突破了臭氧催化领域"活性-稳定性权衡"的传统认知，通过原子级精准设计的双向电子转移隧道，实现了"鱼与熊掌兼得"的效果。其创新价值体现在三方面：科学上揭示了原子簇调控单原子电子态的新机制；技术上开发出可规模化应用的催化剂制备方法；工程上验证了实际废水处理的可行性。特别是将催化剂寿命从文献报道的数十小时延长至260小时，使处理成本降低一个数量级，为工业应用铺平道路。正如汽车引擎的涡轮增压技术革新了动力系统，这种电子隧道设计理念或将成为催化材料开发的普适策略，推动水处理技术向更高效、更可持续的方向发展。