电子转移过程（ETP）能够直接从污染物中捕获电子，从而避免催化剂的氧化还原循环，然而ETP通常会形成低聚物，并将氧化剂还原成阴离子。
2024年11月5日，南昌航空大学邹建平教授、张龙帅副教授团队在Nature Communications期刊发表题为“Electron transfer mediated activation of periodate by contaminants to generate 1O2 by charge-confined single-atom catalyst”的研究论文，团队成员Tang Qianqian为论文第一作者，张龙帅副教授、邹建平教授为论文共同通讯作者。
该研究设计了具有Fe-N3S1构型的电荷约束Fe单原子催化剂（Fe/SCN），通过限制氧化剂生成1O2时获得的电子数，实现ETP介导的污染物活化氧化剂。由于ETP和1O2的结合，Fe/SCN-活化高碘酸盐（PI）体系显示出卓越的污染物降解性能。实验和DFT计算表明，Fe/SCN-PI*复合物具有很强的氧化能力，可触发ETP，而电荷约束效应可使PI单电子活化生成1O2。在Fe/SCN+PI体系中，ETP的100%选择性脱氯和1O2的开环避免了低聚物的生成，实现了大分子污染物向小分子可生物降解产品的转化。此外，Fe/SCN+PI体系还表现出卓越的抗干扰能力和应用潜力。该研究开创了利用ETP电子激活氧化剂生成活性物种的先河，为通过电荷约束效应设计单原子催化剂提供了一个视角。
DOI：10.1038/s41467-024-53941-8
该研究成功制备了S掺杂的C3N4-负载Fe单原子催化剂（Fe/SCN）。证实了Fe的原子级分布和活性位点的配位构型为Fe-N3S1。通过ETP和1O2的协同作用机制，Fe/SCN+PI体系对4-氯苯酚（4-CP）表现出优异的降解性能。此外，该研究还证实1O2是由污染物传导的电子激活PI而产生的，而不是由Fe/SCN本身激活PI产生的。DFT计算证实，Fe-S键的电荷通道和电荷约束的活性位点可使电子从4-CP通过单电子途径转移到PI，从而产生1O2。4-CP的脱氯作用由Fe/SCN+PI体系中的ETP完成，而中间产物的开环作用则由污染物活化的PI产生的1O2进一步实现，从而避免了低聚物的生成。该研究提出了电荷约束单原子催化剂的概念，并将其应用于Fe/SCN的合理设计，通过ETP体系实现了污染物的电子激活PI生成1O2。
总之，该研究成功合成了具有Fe-N3S1构型的电荷约束Fe单原子催化剂（Fe/SCN）。Fe/SCN+PI体系通过结合ETP和1O2实现了对4-CP的高效降解。DFT计算验证了反应物的共吸附作用和电荷约束的活性位点可使污染物传导的电子在活化PI生成1O2的过程中得到进一步利用。ETP的100%选择性脱氯和随后的1O2开环实现了污染物向小分子可生物降解产品的转化，而不会产生低聚物。此外，Fe/SCN不仅具有广泛的pH值耐受性和良好的可回收性，还能持续降解长达约270小时。该研究通过电荷约束的Fe/SCN实现了ETP体系中污染物电子对氧化剂的活化，为单原子催化剂的设计提供了一个视角。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
