1. 背景高级氧化过程是微量有机污染物去除的重要技术其中过乙酸PAA因氧化能力强、pH 适应性较好和副产物相对可降解而受到关注。传统 PAA 活化常产生羟基自由基和有机自由基这些自由基容易被水体中的无机离子和天然有机质猝灭复杂水基质中的稳定性不足。相比之下单线态氧1O2抗干扰能力更强并偏向攻击富电子污染物因此更适合选择性净化真实废水。难点在于PAA 的 O-O 键热力学上更容易走自由基路径如何通过催化剂电子结构和吸附构型调控将反应导向 1O2 主导的非自由基路径是该领域的关键科学问题。2. 论文概要本文中山西大学郭彦霞、燕可洲团队以煤气化渣CGS残余碳为载体将 FeCl3·6H2O/CGS 前驱体在真空中进行 10 s 闪蒸焦耳加热FJH峰值温度分别设为 800 °C、1200 °C 和 1600 °C其中 1600 °C 样品被确定为最优的 FJH-Fe/CGS-1600 双位点催化剂。该瞬时热冲击过程将零价铁Fe0锚定于碳空位附近并同步促进 Fe(III) 向 Fe0/低价铁转化、增强石墨化和形成碳空位其中碳空位作为电子陷阱强化 PAA 端氧吸附Fe0 则维持 Fe(II)/Fe(III) 循环并促进 PAA 活化。该体系在 0.08 g L-1 催化剂、100 μM PAA 和中性 pH 条件下60 min 内可去除约 95% 双酚 A并在 pH 5-8、多种无机离子、腐殖酸和真实水样中保持较高活性。猝灭实验、ESR、XPS、电化学和 DFT 共同证明FJH-Fe/CGS-1600/PAA 体系以 1O2 为主导活性物种能够选择性降解富电子污染物同时金属浸出低、可磁分离回收体现了煤基固废资源化与废水深度处理的耦合潜力。3. 图文解读图形摘要 | FJH 构筑 Fe0/碳空位双位点并通过 PAA 活化生成 1O2。FJH 将煤气化渣碳基底转化为富碳空位、负载 Fe0 的双位点催化剂PAA 在双位点上被定向吸附和活化反应路径由自由基氧化转向 1O2 主导的非自由基氧化从而实现对富电子有机污染物的选择性降解。图 1 | FJH-Fe/CGS 催化剂制备流程、显微形貌、晶格结构和元素分布。图 1 证明 FJH 是构筑双位点的关键合成手段FeCl3 浸渍后的 CGS 被置于石英管和石墨电极之间在真空下接受 10 s 闪蒸焦耳热处理峰值温度从 800 °C、1200 °C 提升至 1600 °C这种“秒级升温-快速淬冷”的非平衡过程使材料形成缺陷富集结构。随温度升高HRTEM 中依次观察到 Fe3O4、Fe3C 和 Fe0 晶面其中 FJH-Fe/CGS-1600 出现 Fe0(110) 与石墨(002) 特征EDS 映射显示 Fe、O、C 分布良好说明 Fe 物种被有效引入并锚定于碳基体中。图 2 | XRD、FT-IR、Raman、XPS、N2 吸脱附和 ESR 共同表征催化剂结构。图 2 从多维证据说明 FJH-Fe/CGS-1600 具有更适合 PAA 活化的结构XRD 显示高温 FJH 促进石墨碳和 Fe0 形成FT-IR 显示 C-O 和 Fe-O 信号减弱表明碳化和还原增强Raman 中 ID/IG 从 1.67 降至 1.39说明石墨化提高同时 ID/IV 提示空位型缺陷增加XPS 证明表面存在 CC/C-C、C-O 和 CO/O-CO 等碳环境N2 吸脱附显示介孔结构有利于传质ESR 的 g 2.003 信号则直接指向碳空位且 FJH-Fe/CGS-1600 最强。图 3 | 不同催化剂的 BPA 降解性能、反应速率、pH 影响和污染物适用性。图 3 证明 FJH-Fe/CGS-1600 是性能最优样品单独 PAA 对 BPA 几乎无效而 FJH-Fe/CGS-1600/PAA 可在 60 min 内降解约 94.4% BPAkobs 达 0.0448 min-1显著高于 800 °C、1200 °C 样品和无铁碳材料体系在 pH 5-8 仍保持超过 85% 去除率并能高效降解 BPA、BP-1、4-MP、ACT、PE 等多种酚类污染物说明活性并非简单吸附而是 Fe0/碳空位协同驱动的 PAA 催化氧化。图 4 | 猝灭实验、ESR 谱图和不同体系中活性氧贡献比例。图 4 揭示体系的主导活性物种是 1O2TBA 对 BPA 降解影响很小说明 ·OH 贡献有限L-组氨酸显著抑制降解TEMP-1O2 的 ESR 三重峰在 FJH-Fe/CGS-1600/PAA 中最强指向高选择性 1O2 生成定量贡献分析显示CGS/PAA 中自由基和非自由基混合存在而 FJH-Fe/CGS-1600/PAA 中 1O2 对 BPA 去除贡献达到 79.3%说明 FJH 构筑的碳空位和铁位点将 PAA 活化路径推向非自由基主导。图 5 | DFT 计算 PAA 吸附构型、电子态和 1O2 生成能垒。图 5 从理论上解释碳空位为何能导向 1O2PAA 端氧吸附构型最稳定Fe-C-Cv 对 PAA 的吸附能达到 -3.20 eV显著强于无空位 Fe-C 模型并形成更稳定的 Fe-O 相互作用PDOS 显示碳空位提高 Fe 3d 轨道在费米能级附近的电子态密度增强电子转移关键去质子化步骤中Fe-C-Cv/PAA 所需能量为 4.56 eV低于 Fe-C/PAA 的 6.24 eV说明碳空位降低了 1O2 生成路径的能垒。图 6 | CV、I-t、反应前后 XPS 和活性位点-性能相关性。图 6 将材料电子转移能力与催化行为关联起来FJH-Fe/CGS-1600 的 CV 面积更大说明其电容和电子传输能力更强I-t 曲线显示 PAA 与催化剂之间发生电流响应支持反应性吸附/活化过程反应后 Fe(III) 含量上升说明 Fe(II) 参与 PAA 活化并被氧化而 Fe0 可补充电子维持 Fe(III)/Fe(II) 循环CO 结合能和含量变化说明含氧碳基团参与电子调控。相关性热图进一步表明铁含量、碳空位密度和 Fe(II)/Fe(III) 比与 BPA 去除呈正相关。图 7 | 不同有机污染物降解速率及其与 HOMO、IP 等分子描述符的关系。图 7 说明该体系具有 1O2 典型的选择性氧化特征不同污染物的降解速率与 HOMO 能级呈正相关与电离势IP呈负相关而与 HOMO-LUMO 能隙关联不明显。这意味着越容易给电子、越富电子的污染物越容易被氧化符合 1O2 作为亲电活性物种优先攻击富电子位点的反应规律也解释了该体系对酚类污染物的高效去除。图 8 | BPA 分子反应位点、电子分布和可能降解路径。图 8 进一步把选择性降解落实到 BPA 分子层面Fukui 函数、HOMO 和 ESP 结果均指向酚羟基及其邻位芳香碳等高电子密度区域这些位点最易受到 1O2 亲电攻击。作者据此提出两条 BPA 降解路径一是芳环羟基化、醌化和开环二是烷基位点 β-裂解、去甲基化和进一步羟基化最终趋向小分子化和矿化毒性预测与发光菌实验还显示降解过程中整体生物毒性明显下降。图 9 | 循环稳定性、抗离子干扰、真实水样处理和磁分离回收。图 9 面向应用验证体系稳定性和复杂水适应性FJH-Fe/CGS-1600 经多次循环后 BPA 去除率仍稳定在 70% 以上铁浸出低于 0.04 mg L-1SO4²-、NO3-、Cl-、HCO3-、CO3²- 和腐殖酸对体系影响较小HPO4²- 因络合铁位点表现出一定抑制在自来水、河水、湖水和煤化工废水中60 min 内 BPA 去除率均至少达到 85%催化剂还可在 10 s 内磁分离便于回收再用。4. 总结展望这项研究的核心贡献在于用 FJH 的非平衡热冲击同时完成固废碳基体活化、Fe0 固定和碳空位构筑并将 Fe0/碳空位双位点用于调控 PAA 活化路径使体系从易受干扰的自由基氧化转向更稳定、更选择性的 1O2 非自由基氧化。其亮点不仅是 BPA 去除率高还在于解释了“为什么能选择性产 1O2”碳空位增强 PAA 端氧吸附和 Fe 3d 电子态Fe0 维持铁循环并促进电子转移。面向工程应用后续仍需关注催化剂规模化制备能耗、长期循环后的位点流失、真实废水中多污染物竞争以及 PAA 投加成本但该工作已经展示出一条兼具煤基固废资源化和有机废水选择性深度处理价值的技术路线。论文信息Kaizhi Yang, Bo Yang, Yining Su, Yang Wang, Feilong Gao, Jungang Tang, Yabin Zhang, Kezhou Yan, Yanxia Guo. Flash joule heating synthesis of zero-valent iron and carbon vacancy dual-site catalysts for efficient singlet oxygen generation and selective organic pollutants degradation. Journal of Colloid and Interface Science, Volume 724, Part 1, 2026, 141027, ISSN 0021-9797, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2026.141027.