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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SACs中心金属原子的原子结构及金属-载体相互作用的内在机制仍缺乏深入理解，限制了其理性设计。
在八面体配位环境中，特定的过渡金属（如Mn、Fe、Co、Ni）往往会发生Jahn-Teller（J-T）畸变以降低体系能量。尽管已有研究表明J-T效应能通过影响电荷分布和吸附构型来调节催化性能，但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。
中山大学严凯教授、仇荣亮教授与清华大学王定胜教授合作在国际著名期刊Nature Communications 上发表了研究论文，首次提出了在高级氧化工艺（AOPs）中利用“弯曲界面诱导的Jahn-Teller（J-T）效应”调控单原子催化剂性能的新策略。研究团队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。该成果不仅在理论上揭示了单原子催化剂中J-T效应与微观结构形变的内在联系，更为工业级废水处理提供了高效、稳定的催化剂设计新思路。
首先作者通过理论与计算，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）。
图1. M‑N4‑C/PMS体系中Jahn‑Teller（J‑T）效应与曲率的关系
然后，作者进一步计算了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（图2）。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
在理论计算确定最优模型后，作者考察了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（图3）。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
为明晰单原子催化剂的微观结构，作者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（图4）。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
为探究机理，作者通过实验与理论，进一步深入阐明了弯曲界面诱导J-T效应的微观机制（图5）。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，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
为展示该催化剂的应用潜力，作者构建了连续流反应器以评估催化剂的实际工程潜力（图6）。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
综上所述，作者首次提出了“弯曲界面诱导J-T效应”这一新概念，并将其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。
这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是中山大学朱科、天津大学王立刚和中山大学胡卓锋。上述研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3905804）和国家自然科学基金（22378434）的资助。
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Curved interface-induced Jahn-Teller effect in single-atom catalysts for water purification
Ke Zhu, Ligang Wang, Zhuofeng Hu, Xiaoying Liang, Zechao Zhuang, Xin Li, Jiarui Yang, Rongliang Qiu, Dingsheng Wang, Kai Yan
Nat. Commun., 2025, 16, 11047, DOI: 10.1038/s41467-025-66043-w
通讯作者简介
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。
https://www.x-mol.com/university/faculty/12030
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。
https://www.x-mol.com/university/faculty/472862
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。
课题组简介
中山大学生物质资源化课题组主要从事生物质资源化领域的研究（主要涉及热催化、光催化、电催化手段），课题组组长严凯教授为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。
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。
