近日，我院刘艳彪教授团队在国际权威期刊Nature Communications上发表题为“Dynamic chloride coordination enables selective pulsed electrocatalytic upcycling of 4-chlorophenol on FeN2O2 single-atom catalyst”的研究论文。
论文摘要
对苯醌（p-BQ）作为重要的化工中间体，广泛应用于医药、染料及高分子材料等领域。然而，传统对苯醌生产工艺通常依赖强氧化剂和苛刻反应条件，存在能耗高、污染重等问题。利用电催化技术将卤代芳香族污染物定向升级转化为高附加值化学品p-BQ，不仅能够实现污染物高效去除，还可同步实现资源回收，具有重要的环境与经济价值。为此，本研究提出了一种脉冲电催化策略，在N, O双配位铁单原子催化剂（FeN2O2）上实现4-氯苯酚（4-CP）向p-BQ的高效选择性转化。该策略通过调控阴极脱氯还原与阳极选择性氧化过程，实现了94.8%的4-CP转化率和62.6%的p-BQ产率。该研究将脉冲电催化与动态配位调控相结合，为卤代有机污染物的定向增值转化提供了一种新的电催化策略。
图文导读
卤代芳香族污染物（如4-氯苯酚，4-CP）因具有高毒性、环境持久性和难降解等特点，被列为优先控制的污染物，亟需开发兼顾污染治理与资源化利用的绿色处理技术。电催化技术能够实现酚类污染物向高附加值化学品的定向转化，为污染控制与资源回收协同提供了新的途径。本研究以ZIF-8衍生的氮掺杂碳为载体，采用焦耳热构筑了平面 N, O 双配位铁单原子催化剂（FeN2O2）。在脉冲电催化过程中，4-CP 脱氯释放的 Cl⁻ 原位动态配位于 Fe 活性中心，诱导电子结构重构，实现了阴极脱氯还原与阳极选择性氧化的高效协同。该催化剂不仅优化了对酚类分子的吸附与目标产物p-BQ的选择性脱附，同时显著提升了 4-CP 转化率与 p-BQ 产率，为卤代芳香族污染物的定向增值转化提供了新的理论依据与技术路径。
通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、球差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜（AC-HAADF-STEM）及能量色散谱（EDS）等表征手段，证实了Fe单原子在载体上的均匀分散以及O原子的成功引入；结合X射线吸收精细结构谱（XAFS）分析，进一步解析了FeN2O2单原子位点的局域配位结构。
图1. FeN2O2单原子催化剂合成与结构表征
电化学性能测试结果表明，FeN2O2单原子催化剂相比FeN4和N-C催化剂具有更高的电流密度、更快的界面电荷传输速率和更优异的反应动力学特性，表现出优异的电化学活性。得益于高效的Fe单原子活性位点及优化的局域电子结构，FeN2O2催化剂显著促进了4-CP还原过程中的电子转移，为后续氧化反应提供了有利条件。在脉冲电催化体系中，该催化剂实现了阴极脱氯还原与阳极选择性氧化的高效协同，有效提高了4-CP向p-BQ的选择性转化效率，并在不同反应条件及多次循环运行过程中均表现出良好的催化稳定性和结构稳定性。
图2. 电催化性能评估与稳定性测试
结合DFT理论计算与原位Raman等实验表征，系统揭示了FeN2O2单原子催化剂的构效关系及反应机制。理论计算表明，N、O双配位通过调控Fe活性中心的电子结构和d带中心，优化了反应物及中间体的吸附构型；同时，脱氯过程中释放的Cl⁻可原位动态配位于Fe位点，诱导局域电子结构发生重构，实现对酚类中间体吸附增强与目标产物p-BQ选择性脱附的协同调控，从而促进4-CP向p-BQ的高效选择性转化。
图3. 4-CP转化成p-BQ的机制研究
进一步构建了连续流电解系统，实现了p-BQ的高效连续合成与回收。通过萃取、旋转蒸发及重结晶等分离纯化过程，成功获得高纯度p-BQ产物，验证了该资源化技术路线的可行性。在连续流反应条件下，FeN2O2催化剂能够长时间稳定运行，持续保持较高的4-CP转化效率和p-BQ选择性，展现出优异的催化稳定性和工程应用潜力。进一步结合技术经济分析和生命周期评价发现，该脉冲电催化工艺在降低能源消耗、碳排放及资源消耗等方面均优于传统p-BQ制备工艺，体现出良好的经济可行性和环境可持续性。
图4. 流动电解系统与环境影响评价
主要结论
本研究通过构筑FeN2O2单原子催化剂，建立了脉冲电催化驱动4-CP定向升级转化为高附加值p-BQ的新策略。FeN2O2催化剂表现出优异的催化活性、选择性和长期稳定性，其本质机制在于4-CP脱氯过程中Cl⁻与Fe活性中心的动态配位诱导局域电子结构重构，协同优化反应物吸附与目标产物脱附，从而实现阴极脱氯还原与阳极选择性氧化的高效耦合，为卤代酚类污染物的资源化利用及高附加值化学品的绿色制备提供了新的理论依据和技术路径，也为电催化废水处理向资源回收与工程应用转变提供了重要参考。
文章信息
第一作者：王嘉琛
通讯作者：刘艳彪 教授
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76319-4
