鐵（Fe）基催化劑是一種基于深度氧化技術(shù)的廢水修復(fù)的有希望候選者，但這些材料的制備往往涉及復(fù)雜和能源密集型的合成。此外，由于制備條件的固有限制，實現(xiàn)催化劑的全部潛力還具有挑戰(zhàn)性。

基于此，復(fù)旦大學(xué)朱向東研究員等人報道了通過軟碳輔助閃光焦耳加熱（FJH）策略開發(fā)了一種鐵基納米催化劑。FJH涉及快速升溫、電擊和冷卻，該過程同時將低品位鐵礦物（FeS）和軟碳轉(zhuǎn)化為嵌入薄層石墨烯中的富電子納米Fe⁰/FeS異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該過程節(jié)能，能耗比傳統(tǒng)熱解降低34倍。

通過DFT計算，作者研究了納米Fe⁰/FeS異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的催化機(jī)理。作者構(gòu)建了石墨烯中Fe⁰/FeS異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Fe⁰/FeS/C和FeS/Fe⁰/C兩種結(jié)構(gòu)模型，其中Fe⁰/FeS/C和FeS/Fe⁰/C的吸附能分別為-4.169 eV和-4.135 eV。

結(jié)果表明，對比FeS/C或Fe⁰/C與PDS的吸附體系，F(xiàn)e⁰/FeS異質(zhì)結(jié)構(gòu)容易吸附PDS，并由于電子傳輸能力的提高而使O-O鍵斷裂產(chǎn)生自由基。Fe⁰/FeS/C和FeS/Fe⁰/C的電子傳輸能力明顯高于FeS/C和Fe⁰/C，由于電子離域效應(yīng)能轉(zhuǎn)移更多的電子。

此外，F(xiàn)e⁰/FeS/C和FeS/Fe⁰/C在PDS的吸附能、O-O鍵和電子傳輸能力上的差異可以忽略不計。所有結(jié)果都證實，富電子納米Fe⁰/FeS異質(zhì)結(jié)構(gòu)的存在極大改善了CAP的降解。

此外，O-O鍵的斷裂是催化反應(yīng)中必不可少的重要過程。對比Fe⁰/C，富電子Fe⁰/FeS/C具有更低的O-O鍵斷裂能壘，催化反應(yīng)具有更低的吉布斯自由能，因此電子離域效應(yīng)使得富電子Fe⁰/FeS/C自發(fā)，且更容易激活PDS。

Rapid self-heating synthesis of Fe-based nanomaterial catalyst for advanced oxidation. Nat. Commun., 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-40691-2.