第一作者：朱科，王立刚，胡卓锋
通讯作者：严凯，仇荣亮，王定胜
通讯单位：中山大学，清华大学
论文DOI：10.1038/s41467-025-66043-w
近日，中山大学严凯教授、仇荣亮教授与清华大学王定胜教授联合在国际著名期刊Nature Communications上发表了题为“Curved interface-induced Jahn-Teller effect in single-atom catalysts for water purification”的研究论文。该研究系统探讨了在高级氧化工艺（AOPs）中，如何通过“弯曲界面诱导的Jahn-Teller（J-T）效应”来精准调控单原子催化剂的性能。通过理论计算与实验验证相结合，发现过一硫酸盐（PMS）在Mn-N4-C位点的吸附会导致局部碳平面发生弯曲，进而诱导Mn原子的J-T效应增强。这种结构畸变削弱了金属d轨道与中间体p轨道的杂化能力，显著降低了活性氧物种（ROS）产生的能垒。该研究通过20 L大体积连续流反应器的长期运行实验，验证了该催化剂在工业级废水处理中的应用潜力，为环境催化材料的理性设计提供了全新的视角。
基于单原子催化剂（SACs）的高级氧化工艺（AOPs）因其原子利用率高、配位环境可调以及金属-载体相互作用强等优势，被视为一种理想的绿色高效水净化技术。然而，目前对于SACs中心金属原子的原子结构及其内在催化机制的理解仍有待研究，这限制了针对特定反应的催化剂理性设计。
通过在分子层面调控M‑N4‑C位点的配位环境（如配位数、杂原子掺杂、缺陷工程等），可有效优化其催化性能。现有研究多聚焦于第一配位层对活性的影响，却较少关注由配位结构弯曲可能诱导的Jahn‑Teller（J‑T）效应。在八面体配位场中，过渡金属（如Mn、Fe、Co、Ni）因电子在简并的t2g和eg轨道中分布不均，为稳定体系会发生J‑T畸变（八面体拉长或压缩）。该效应可影响电荷分布、自旋态及吸附构型，进而调控催化性能。然而，在原子级分散的催化剂中，J-T效应的存在及其对水处理AOPs过程的具体影响尚未被报道。特别是如何通过调控局部微环境（如界面弯曲）来诱导J-T效应，进而优化d-p轨道杂化，是当前环境催化领域亟待突破的科学难题。
1. 提出“弯曲界面诱导J-T效应”的新机制
首次将宏观界面曲率与微观Jahn-Teller效应耦合，创立了新概念，为通过几何结构主动调控单原子电子态提供了全新维度。
2. 揭示“结构畸变-电子结构-催化性能“的构效关系
通过实验与理论结合，阐明了PMS吸附诱导的动态畸变通过增强J-T效应，调控d-p轨道杂化，从而产生“火山型”活性规律的完整机制。
3. 实现“从基础认知到放大实验”的实际应用潜力
成功构建大尺寸反应器并验证其长期稳定性，实现了从微观机理认知到宏观水净化工程应用的关键跨越。
通过理论与计算，图1揭示了PMS吸附如何诱导M-N4-C催化剂局部碳平面发生弯曲，从而触发Jahn-Teller（J-T）效应。研究发现，不同金属中心（Mn, Fe, Co, Ni）的弯曲程度、d带中心位置及向PMS的电荷转移能力呈现规律性变化，并共同呈现出“火山型”的活性趋势，其中Mn-N4-C的弯曲角度最大（22.1°），相互作用最强。
图1. M‑N4‑C/PMS体系中Jahn‑Teller（J‑T）效应与曲率的关系
图2展示了PMS在Mn-N4-C上分解过程的能量变化及J-T效应如何调控电子结构。DFT计算表明，PMS活化过程能量持续下降，证实其热力学可行性；更重要的是，结构弯曲后，Mn的3d轨道整体更接近费米能级且能隙缩小，这削弱了其与氧中间体之间的d-p轨道杂化强度，从而有利于降低反应能垒。
图2. Jahn‑Teller（J‑T）效应削弱Mn‑N4‑C/PMS体系d‑p轨道杂化能力
图3展示了M-N4-C催化剂的通用合成路线及其在降解布洛芬（IBU）中的性能。通过微波热解生物质碳前驱体与金属酞菁配合物，成功制备了一系列M-N4-C催化剂；催化测试表明，Mn-N4-C性能最优，其IBU降解率（96%）和反应速率常数（0.095 min-1）均遵循Mn > Fe > Co > Ni的火山型顺序。
图3. Mn-N4-C催化剂的合成方案与催化性能
图4通过多种表征技术证实了Mn-N4-C催化剂的原子级分散与精确配位结构。AC-HAADF-STEM图像直接观察到Mn单原子亮点，XAS分析（XANES与EXAFS）表明Mn的价态介于+2与+3之间，并确定了其第一配位层为四个N原子（Mn-N4），成功建立了Mn-N4-C的原子结构模型。
图4. 所制备Mn-N4-C催化剂的原子结构分析
图5综合实验与理论，深入阐明了弯曲界面诱导J-T效应的微观机制。原位FTIR证实了PMS活化过程中Mn-O键的形成与界面变化；DFT分析揭示，PMS吸附使配位环境由四边形（4N）变为八面体（4N+2O），引发J-T畸变，这稳定了高自旋Mn离子并打破了轨道杂化对称性，从而弱化了Mn 3d-O 2p杂化，促进O-O键断裂。
图5. Jahn‑Teller（J‑T）效应通过本征曲面调控d‑p轨道杂化
图6构建了连续流反应器以评估催化剂的实际工程潜力。将Mn-N4-C负载于棉线上并置于20 L反应器中，在处理实际IBU废水时，催化剂在连续运行100小时后仍能保持85%以上的去除率，并实现了低金属浸出率和合格的出水标准，证明了其优异的长期稳定性与实际应用可行性。
图6. 实际应用评估
本研究首次提出了“弯曲界面诱导Jahn-Teller效应”这一新概念，并将其成功应用于单原子催化剂的水净化过程。通过理论与实验的深度结合，揭示了PMS吸附诱导的局部结构畸变如何通过增强J-T效应来调控金属中心的电子结构，进而优化催化活性。研究发现的“火山型”活性规律以及对d-p轨道杂化的深入解析，为理解单原子催化剂的微观机制提供了新视角。同时，大尺寸反应器的成功运行和优异的长期稳定性，标志着该技术向实际工程应用迈出了坚实的一步。
Zhu, K., Wang, L., Hu, Z. et al. Curved interface-induced Jahn-Teller effect in single-atom catalysts for water purification. Nat. Commun. 16, 11047 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-66043-w
王定胜，清华大学长聘教授。2004年于中国科学技术大学化学物理系获理学学士学位。2009年于清华大学化学系获理学博士学位。2009至2012年在清华大学物理系从事博士后研究。2012年7月加入清华大学化学系。研究领域为无机纳米材料化学，自2009年博士毕业以来，一直以无机纳米合成化学为基础，主要从事金属纳米晶、团簇及单原子为主的无机功能纳米材料的合成、结构调控与催化性能研究。2012年获全国优秀博士学位论文奖。2013年获国家优秀青年科学基金。2018年获青年拔尖。2023年获国家杰出青年科学基金。发表学术论文200余篇，含1篇Nature、1篇Nature Chem.、1篇Nature Nanotech.、3篇Nature Catal.、1篇Nature Synth.、45篇Angew. Chem. Int. Ed.、24篇J. Am. Chem. Soc.、20篇Adv. Mater.、13篇Nature Commun.等。2020-2023连续四年入选全球高被引科学家。
仇荣亮，华南农业大学副校长，华南农业大学和中山大学教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，国家万人计划科技创新领军人才，国务院政府特殊津贴获得者，科技部重点领域创新团队负责人，国家外专局/教育部学科创新引智基地负责人。主要从事土壤环境污染控制与生态修复（矿山、场地、农田）、水土环境重金属与有机污染化学与生物修复机理、废弃物资源化等方面的研究工作。先后主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金杰出青年基金、国家863计划重点项目等项目，发表科研论文400余篇，获授权专利60余项。
严凯，中山大学环境科学与工程学院教授，博士生导师，国家万人计划青年拔尖人才，中山大学百人计划杰出人才和逸仙优秀学者，同时担任广东省3R固废资源化工程中心主任和中山大学生物质资源化团队负责人。长期从事生物质资源化领域的研究，先后在Nature子刊、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy. Mater、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B、ACS Catal.、AIChE J.等期刊上发表SCI论文130余篇，其中22篇入选ESI高被引论文，9篇入选封面文章；申请国家专利20余项，授权11项，含美国和澳大利亚专利各1项，企业转化1项；受邀编著生物质英文专著2本，受邀担任Front. Plant Sci.、Sustain. Horiz.期刊副主编和Green Energy Environ.、Current Green Chem.、Nano-micro Lett.、Chin. Chem. Lett.、Front. Environ. Sci. Eng.、Biochar、物理化学学报、Carbon Res.、eScience、能源环境保护期刊编委/青年编委；主持国家万人计划、国家自然科学基金面上（3项）、国家重点研发计划课题、广东省重点研发计划和联合基金重点等多个项目；获得国际IAAM Medal奖、全球前2%顶尖科学家榜单（连续5年入选）、中国发明协会一等奖、广东省环境科学学会青年科技奖、RSC Top 1%高被引学者、教育部科学研究优秀成果一等奖、中国化学会青年创新奖（2次）等多项奖励。课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/ky。课题组长期招聘相关方向的博士后、助理教授和副教授，联系方式：yank9@mail.sysu.edu.cn。
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