在世界范围内，城市污水处理厂每年产生的废污泥达8000万至9000万吨干物质，并且还在不断增加，给社会带来了巨大的经济和环境挑战。虽然废污泥提供了一种诱人的资源，但由于其复杂的成分和低浓度的可回收金属元素，其高效和有效的再利用策略仍然难以捉摸。基于此，中国科学技术大学俞汉青院士和陈洁洁教授、中科大/合肥工业大学张爱勇教授（共同通讯作者）等人报道了一种简单的方法，用于熟练地将废污泥转化为高价值的单原子催化剂（SACs）用于水净化。该过程包括通过形成反应锚定位点和选择性化学键，将污泥中存在的痕量氧化还原反应过渡金属原位升级为碳、氮、硫、磷、硅和铝的单原子物种。
污泥衍生的SACs（SSACs）在对各种污染物的类-Fenton降解中表现出显著的反应性、稳定性和选择性。结构分析和密度泛函理论（DFT）计算表明，共配Fe单原子是催化剂的主要反应位点，同时其他具有不同配位结构的单原子过渡金属形成并有助于催化性能。此外，作者采用生命周期评估（LCA）和投资回收期分析，在考虑环境影响和工业生产成本的情况下，对污泥升级回收到SACs进行评估。与传统的焚烧方式相比，该升级回收方式对人类健康、生态系统和资源的整体生命周期影响要小得多，并显示出更大的还原潜力。本创新技术保证了经济效益，消除了污泥处理的巨大经济负担，并为污泥处理绘制了新的轨迹，促进了更可持续的废水和废物管理框架的产生。
相关工作以《Upcycling waste sewage sludge into superior single-atom Fenton-like catalyst for sustainable water purification》为题在《Nature Water》上发表。值得注意的是，在2024年7月8日，美国加州大学河滨分校殷亚东教授在《Nature Water》上发表题为《Upcycling sludge into high-performance catalysts》的点评文章！殷亚东教授认为：将废污泥转化为有价值的资源是污泥管理的一个有前途的解决方案，利用污泥中的一系列元素制备单原子催化剂的方法说明了其在水净化中的潜在有效性。殷亚东教授在2011年Thomson Reuters公布的全球顶尖百名材料学家（Top 100 Materials Scientists, 2000-2010）名单中名列第2位；在全球顶尖百名化学家（Top 100 Chemists, 2000-2010）中排名第55位。
图文解读
通过对废污泥的三步处理，在700 ℃下获得了具有介孔结构、组分复杂的非晶态碳（记为PME-700）。该工艺从1000千克干污泥中产生约540千克SSACs，观察到C、N、Si、Al和Fe在纳米碳中的均匀分布。HAADF-STEM图像显示，PME-700中广泛存在原子分散的Fe，而电子能量损失谱显示，与包括N、S和P在内的客体原子形成了缺陷的非C6环。
在2.0 min内，苯酚去除率达到99%以上，显著优于Co3O4、Fe3O4、α-Fe2O3和CuO等基准多相催化剂（去除率<10%）和Co2+、Fe2+等均相催化剂。PME-700离子的周转频率（TOF）值为327.52 h-1，远高于Co2+离子（6.95 h-1）和Fe2+离子（26.99 h-1）。所制备的SSAC表现出了优异的类-Fenton催化性能，在各种操作条件下得到证明，包括pH值、温度、污染物浓度和反应稳定性，在长期反应中没有观察到有毒副产物或金属浸出。
通过P-M-E协同法得到活性最高的催化剂，在2 min内几乎完全去除苯酚，而P-E、P-M和单独使用P的方法对苯酚去除率较低。PME-700上活性Fe位点的TOF值，也明显高于P-700、PM-700和PE-700。对于P-M-E策略，可通过调整退火温度进一步微调SSAC活性，污泥的最佳热解温度为700 ℃。同时，PME-700表现出比PME-500和PME-900更高的TOF。
通过密度泛函理论（DFT）计算，作者深入研究了SSACs的催化性能。Fe-MNSPC-Si被确定为SSAC对PMS吸附和活化的模型，将Fe-N4掺杂石墨烯（Fe-NC）作为对照组。PMS-催化剂界面上的电荷密度差表明，吸附后PMS-Fe-MNSPC-Si中的电荷转移量大于PMS-Fe-NC。在PMS吸附于Fe-MNSPC-Si和Fe-NC之前，Fe的投影态密度揭示了自旋通道中d轨道电子的不对称排列，表明自旋极化导致了高催化活性位点。
此外，PMS*-Fe-MNSPC-Si配合物表现出通过途径I或途径II氧化苯酚的热力学可行性。由于通过途径I，PMS*-Fe-MNSPC-Si的所有反应步骤都是放热的，因此废污泥中的其他金属和非金属元素通过调节单原子Fe中心的化学和电子结构来精炼Fe-MNSPC-Si，从而进行类-Fenton催化。
图6. PMS活化和污染物在SSACs上转化的机制
为在不同的污泥样本中验证P-M-E升级回收策略，作者分析了来自中国不同污水处理厂的22个额外样本。从这些样品中合成的SACs具有一致的组成和单原子结构，反映了它们在水净化方面具有优异的类-Fenton反应性，强调了这种升级回收策略的强大可重复性和一致性。仅在中国，每年就可以从废污泥中制造数百万吨SACs，突出了这种创新方法的变革潜力。
文献信息
1. Upcycling waste sewage sludge into superior single-atom Fenton-like catalyst for sustainable water purification. Nature Water, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-024-00258-x.
2. Upcycling sludge into high-performance catalysts. Nature Water, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-024-00270-1.
