2025年1月12日，国际期刊《Journal of Colloid and Interface Science》在线发表了题为“Efficacy and durability of cobalt sulfide nanoparticles and axial sulfur-coordinated cobalt single-atom composite sites in hydrogenative nitroaromatics decontamination”的研究性论文。本研究构建了一种结构包含CoS纳米颗粒与S/N共配位Co单原子（CoN4S1）复合位点的新型催化剂，其在硝基芳香污染物的加氢脱毒反应中表现出优异的催化效率和持久稳定性。通过实验研究与理论计算，深入阐明了钴基复合活性位点在催化过程中的活性与稳定性机制，为设计高性能加氢催化剂提供了重要的理论支撑。《Journal of Colloid and Interface Science》(《胶体与界面科学杂志》)是由Elsevier公司出版的化学和材料领域的重要学术刊物，属于中科院化学一区（TOP）期刊，影响因子为9.4。
第一作者：龙阳可
通讯作者：李伙生、戴剑、彭丹
通讯单位：深圳信息职业技术学院、广州大学、哈尔滨工业大学
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.01.049
识别二维码，
阅读英文原文
硝基芳香污染物（如对硝基苯酚，PNP）的高效加氢转化对环境污染治理具有重要意义。本研究聚焦于硫配位单原子（Co–N4–S1）与CoS纳米颗粒复合催化剂的催化性能，系统探究了其在PNP加氢反应中的活性和稳定性。实验结果表明，Co–N4–S1单原子位点表现出优异的催化活性，其独特的轴向硫配位结构有效调控了钴中心的电子态，缓解了反应中间体的过度吸附，从而显著提升了PNP的转化效率。相比之下，CoS纳米颗粒在反应中表现出有限的稳定性，其失活主要归因于颗粒团聚、表面氧化及溶解现象。通过多种先进表征技术（如球差电镜、XAFS、HAADF-STEM、XPS等）和理论计算，揭示了硫配位单原子与CoS纳米颗粒在催化反应中的协同作用机制及其结构演变规律。本研究为设计高效、稳定的非贵金属加氢催化剂提供了重要的理论依据和实践指导。
硝基芳香族化合物因其高毒性、强化学稳定性以及抗生物降解性等特性，在工业废水中广泛存在，对生态系统和人类健康构成了严重威胁。因此，开发高效、低成本的材料和技术以处理工业废水，减少其对环境的负面影响，已成为当前亟待解决的重要课题。尽管以硼氢化钠为氢供体的硝基芳香族化合物化学选择性还原反应已受到广泛关注，但其反应动力学缓慢，亟需高效催化剂以提高反应效率并降低能耗。贵金属催化剂（如金、钯和铑）虽表现出优异的催化性能，但其资源稀缺性和高昂成本限制了其大规模应用。非贵金属单原子催化剂（SACs）因其卓越的催化性能、高产物选择性及成本效益备受关注，然而，现有M–N–C SACs的氢化反应活性仍不足以完全替代贵金属催化剂。研究表明，Co–S基团在促进氢化反应和硝基芳香族化合物转化方面具有显著催化效率，但高温热解过程中引入硫时，孤立Co物种易形成钴硫化物(CoxSy)纳米颗粒。实验与计算研究揭示了多种CoxSy相（如Co9S8、CoS和CoS2）在对硝基苯酚选择性氢化中的催化活性。设计具有优化比例的单原子和纳米颗粒的混合催化剂，被认为是提高加氢反应效率的一种极具潜力的策略。理论上，CoxSy纳米颗粒与单原子Co位点的结合可通过多活性位点协同作用提升催化性能，但相关研究仍较为有限。此外，尽管CoxSy基催化剂在硝基芳香族化合物选择性加氢中展现出潜力，但其长期稳定性及真正活性中心的精确识别仍需进一步研究。
图1. SNC@CoS/CoSA的 (a)合成示意图; (b, c) TEM图像; (d, e) 球差电镜图像; (f-j) HAADF-STEM和元素分布图。
图2 SNC@CoS/CoSA的同步辐射表征
以对硝基苯酚（PNP）作为模型化合物，通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和高效液相色谱（HPLC）实时监测PNP的转化效率，系统评估了催化剂的反应性能。此外，利用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）对反应产物进行了深入分析。
图3 催化剂在污染物加氢反应中的性能
通过球差校正透射电子显微镜（AC-HAADF-STEM）和X射线光电子能谱（XPS）对反应后样品进行深入分析，揭示了SNC@CoS/CoSA催化剂的真实活性位点及其在催化过程中的稳定性。
图4 催化剂的循环利用性能及其反应后的球差电镜和XPS表征
通过透射电子显微镜（TEM）、高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）及元素分布分析等表征手段，系统研究了催化剂中CoS纳米颗粒在反应过程中的形貌与组成演变规律。
图5 催化剂中CoS颗粒在循环反应后的结构表征
图6 理论计算探究反应机理
本研究成功合成了一种新型催化剂，该催化剂由轴向硫配位的CoN4位点和CoS纳米颗粒组成，对硝基芳香污染物的加氢反应显示出卓越的催化效率和可重复使用性。CoN4S1单原子位点作为主要的活性中心，表现出良好的稳定性，并通过轴向硫配位优化钴的3d轨道，从而加速反应动力学并提高催化性能。通过密度泛函理论（DFT）分析，进一步理解了CoN4S1位点的优越催化性能，并阐明了PNP转化的机制。计算结果表明，CoN4S1位点具有平衡的反应中间体结合强度，有利于催化反应的进行。CoS纳米颗粒在反应中表现出较低的稳定性，其失活主要归因于颗粒团聚和表面氧化等结构演变。
Yangke Long, Guicong Xiao, Jian Dai, Yanyun Chen, Hua-Yue Zhu, Dan Peng, Huosheng Li. Efficacy and durability of cobalt sulfide nanoparticles and axial sulfur-coordinated cobalt single-atom composite sites in hydrogenative nitroaromatics decontamination, Journal of Colloid and Interface Science, 684, (2025) 540-551,https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.01.049.
识别二维码，
阅读英文原文
撰稿：龙阳可
编辑：环境与能源功能材料DX
龙阳可（第一作者），深圳信息职业技术学院讲师，河南农业大学校外硕士生导师，2019年7月博士毕业于武汉大学。长期从事新兴污染物的深度处理技术、废弃聚合物循环再利用等研究工作。以第一/通讯作者身份于Environ Sci Technol, Adv Funct Mater, J Hazard Mater, Chem Eng J等环境领域高水平期刊上发表学术论文16篇。
李伙生（通讯作者），博士，广州大学副教授，硕士生导师。研究方向主要包括环境纳米材料合成与应用、工业废水（重金属、氮、磷、有机物）深度处理以及厌氧氨氧化脱氮技术。主持和承担国家自然科学基金项目、广东省自然科学基金面上项目等十余项。以第一/通讯作者于Chem Eng J、J Hazard Mater、Bioresour Technol、Waste Manage、J Clean Prod等期刊上发表SCI收录论文40余篇，授权专利10余项。
论文速递丨JES论文：基于MOF-on-MOF双S型异质结高效光电催化去除有机污染物
论文速递丨SPT论文：新型MIL/COF直接Z型异质结光催化原位自芬顿去除抗生素
论文速递丨CEJ论文：可持续双阴极光电-类芬顿系统在宽pH范围内快速降解新兴污染物
论文速递丨JHM论文：Z型异质结MIL-88(Fe)/Ti3C2/MoO3高效光催化降解抗生素
综述速览丨SPT综述：用于废水/海水净化的硫化钼（MoS2）基环境功能材料
论文速递丨SPT论文：气凝胶高效安全去除抗生素的协同机制-有效吸附和光催化降解
论文速递丨ACB论文：基于肖特基异质结的原位自芬顿光催化体系去除盐酸四环素
综述速览丨IJBM综述：壳聚糖基异相催化材料在废水处理和水净化中应用最新进展
综述速览丨CCL综述：MXene衍生量子点基光催化剂：合成、应用、前景和挑战
综述速览丨SPT综述：磁性壳聚糖基材料在水净化和固相萃取污染物方面的研究进展
论文速递丨SPT论文：阴极P-BiVO4/CQDs和阳极WO3的光催化燃料电池
论文速递丨IJBM论文：漂浮型磁性MoS2/NiFe2O4/壳聚糖@三聚氰胺复合材料
论文速递丨JEM论文：用于Cr(VI)有效修复新型Ag@NH2-UiO-66(Zr)光催化剂
3、外文文献翻译目的在于传递更多国际相关领域信息。外文文献由课题组研究生翻译，因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大家批评指正。
识别上方二维码访问课题组主页
点击阅读原文可以链接原文
