快速城市化和重工業化造成的清潔水資源短缺成爲全球範圍內社會可持續面臨的最嚴峻挑戰之一。目前急需探索高效率和經濟上可行的水淨化技術，特別是依靠活性氧物種來降解汙染物。基于H2O2活化的金屬介導Fenton催化反應具有高效、易操作等優點，被認爲是一種很有前途的水處理方法。然而，該方法具有苛刻的操作pH值、H2O2利用率低、富含金屬汙泥，以及不理想的穩定性等缺點。此外，Fenton催化過程中•OH産量不足和H2O2-•OH的選擇性不足導致大量的化學品投入和副産物形成。 爲了解決這些缺點，非均相Fenton催化劑重點通過晶面修飾、雜原子、缺陷和單原子工程對活性位點的微環境調節進行了良好的設計和開發，以促進H2O2活化。但是，在Fenton催化過程中，H2O2分子高效和高選擇性分解爲•OH仍然是一個巨大的挑戰(特別是在中性條件下)。

近日，上海交通大學羅金明課題組設計並合成了氟氧化鐵(FeOF)催化劑，其Fe位點與F-(Fe(III)O3)-F中強電負性的F原子強烈配位，用于有效的H2O2活化和•OH生成。 通過理論計算和實驗分析，研究人員系統地比較了FeOF和FeOCl的局域電子結構和Fenton催化行爲，發現配位F原子較強的吸電子能力可以大大減少Fe位點的局域電子密度，從而降低了限速步驟H2O2吸附和隨後的O-O鍵斷裂的能壘，顯著促進了H2O2的活化。此外，Fe3+離子與H2O2分子相互作用的增強使FeOF具有較強的pH適應性，從而打破了苛刻pH條件下操作的局限性。

因此，在中性條件下，所制備的FeOF催化劑的•OH産量和選擇性分別爲450 μm和33.2%，明顯優于FeOCl和文獻報道的最先進的Fenton催化劑。同時，研究人員利用FeOF/H2O2處理制藥和紡織行業的二級廢水，無需調節pH值，這些廢水中存在的可溶性微生物副産物和腐殖酸樣有機物很容易被去除，TOC去除高達50.5%，證明了合理設計的具有獨特F配位的FeOF改造化學密集型水處理工藝的可行性。 綜上，該項工作爲原子尺度上活性位點與F配位的電子結構調控提供了重要的理論依據，爲開發高效、選擇性地將H2O2活化爲•OH的先進Fenton催化劑提供了設計原則。

Electronic structure modulation of iron sites with fluorine coordination enables ultra-effective H2O2 activation. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46653-6