抗生素的广泛使用在改进人类健康的一起，也带来了严峻的环境危险。很多抗生素残留经过制药废水进入天然水体，不只难以被传统污水处理工艺彻底去除，还会诱导细菌耐药性的涣散，构成长时间生态危险。近年来，依靠“非自由基途径”的高档氧化技能被认为是精准、高效降解抗生素的抱负计划，而单原子催化剂因其极高的原子利用率和反响挑选性，成为该范畴的研讨热门。但是，一个长时间困扰学界与工业界的实际问题一直存在：单原子催化剂简直都停留在毫克到克级试验室规划，难以扩大出产，更难进入实在工程体系。

  近来，浙江大学环境与资源学院徐江研讨员团队提出一种“级联固定自拼装战略”，初次完结了单原子催化剂从克级到公斤级的通用化制备，并在实在抗生素废水中完结接连流验证。该战略不只坚持了单原子位点的高度涣散，还完结了高达6–14 wt% 的金属负载量与近100%单线态氧（¹O₂）挑选性生成。更重要的是，研讨体系提醒了铁单原子在组成与催化过程中的动态演化机制，证明该资料在工业化条件下兼具安稳性、经济性与环境友好性，为单原子催化实在“走出试验室”供给了可仿制的技能范式。相关效果以“Universal scalable production of single-atom catalysts for antibiotic wastewater treatment”为题宣布在《Nature Water》上。榜首作者为Xunheng Jiang。

  研讨首要直面一个老问题：为什么单原子一扩大就“失控”？在传统做法中，铁源与三聚氰胺直接高温热解，铁原子在熔融过程中极易搬迁并聚会，终究构成氧化铁纳米颗粒，而不再是抱负的单原子位点（图1a–c）。这也是曩昔单原子催化剂难以规划化的根本原因。

  为此，团队引进了“级联固定”的规划思路（图1d）。在高温之前，研讨者先用草酸对Fe³⁺进行强配位固定，再利用氢键效果，将铁合作物、三聚氰胺和氰尿酸自拼装成有序超分子结构。这样一来，铁原子在热解前就被“预先确定”在空间网络中。不管是克级仍是公斤级制备，XRD、STEM 和元素散布成果都显现铁元素高度均匀涣散，简直看不到任何纳米颗粒的踪影（图1h–i）。终究，研讨者成功制备出超越1公斤的Fe₁/CN单原子催化剂，铁源利用率挨近100%，为后续扩大奠定了根底（图1j）。

  有了安稳的组成结构，研讨并未停步于铁。团队进一步验证了该战略的“通用性”。经过简略替换金属盐与配体，研讨者成功将该办法拓宽至钴、镍、锰、铜、银等多种过渡金属，并进一步完结了Fe–Cu、Fe–Ag 等双原子催化剂的公斤级制备（图2a–b）。高分辩HAADF-STEM图画明晰显现，一切金属体系均坚持原子级涣散，没再次出现金属–金属配位信号（图2c–h）。EXAFS成果进一步证明，这些催化剂均以安稳的金属–氮配位结构存在（图2i–k）。在金属负载量方面，该作业完结了6–14 wt%的打破，显着高于已有报导和商业化单原子产品（图2l），显现出激烈的工业潜力。

  规划化往往随同功能衰减，但这一问题在该体系中被成功防止。研讨团队选取四种高使用量抗生素作为模型污染物，对不同制备规划的Fe₁/CN作比照测验。成果显现，从克级到公斤级样品，其单位活性位点反响速率简直共同，且均能在30–60分钟内完结彻底降解（图3a）。更要害的是反响机理并未“跑偏”。捕获试验与EPR成果共同标明，一切体系简直100%经过单线态氧（¹O₂）进行非自由基氧化（图3b）。进一步的理论核算提醒，Fe–N₄位点可以安稳生成SO₅•⁻中间体，从而高挑选性地发生¹O₂（图3f–h）。这在某种程度上预示着，即便在公斤级扩大条件下，催化剂仍然坚持着试验室等级的“精密化学反响操控”。

  图3：不同规划Fe₁/CN在抗生素降解中的共同活性与近100%¹O₂挑选性

  为了弄清楚为何扩大后仍能坚持功能共同，研讨团队引进原位X射线吸收谱，对铁原子在组成和反响全过程中的状况改变进行了追寻（图4a）。成果发现，不管制备规划怎么，铁原子在热解后均构成安稳的Fe–N₄配位结构，且不存在铁–铁相互效果（图4b–c）。在催化反响过程中，铁位点会时间短构成轴向配位氧的Fe–N₄–O结构，随后又可逆康复为初始状况（图4h–i）。这种可逆的结构呼吸行为，正是高挑选性¹O₂生成和长时间安稳运转的要害，也解说了该体系为何可以按捺“扩大效应”。

  终究，研讨将资料带入实在使用场景。团队构建了近工业级接连流反响器，用于处理制药厂沉淀池废水（图5b）。成果显现，在1200分钟接连运转中，抗生素去除率一直挨近100%，铁流失率缺乏3%（图5f）。更令人重视的是本钱核算成果：在50升实在废水测验中，所需催化剂用量极低，折算处理本钱约为0.20美元/吨水（图5j）。技能经济与生命周期评价均标明，该工艺在本钱和环境担负上均优于现有计划，为工业化落地扫清了实际妨碍。

  这项研讨初次体系性地答复了“单原子催化剂怎么实在规划化”这一长时间悬而未决的问题。经过级联固定自拼装战略，研讨团队不只完结了公斤级制备，更在实在废水中验证了其安稳、高效与经济性。能预见，这种从分子规划到工程验证一体化的研讨范式，将推进单原子催化从“概念资料”迈向“工业资料”，并为抗生素废水管理甚至更广泛的环境催化使用翻开新的或许。

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