持久性有机污染物长期残留在水体中，不仅危害生态环境，也威胁人类健康。光催化技术因其环境友好性与零额外能耗特性，在水处理领域备受关注。在这类技术中，“单原子催化剂”（SACs）因其100%原子利用率，被认为是提升效率的理想材料。但传统的对称结构（比如常见的M-N₄）内部电场较弱，限制了电子的转移和传输。此外，光催化反应机制复杂度高于电/热催化体系，SACs需克服光吸收空间异质性、载流子局域化及多活性位点协同等挑战。因此，设计具有“非对称结构”的新型单原子催化剂，并深入理解其中的反应机制，已成为推动高效光催化净水技术发展的关键一步。

为此，澳大利亚桂冠学者王少彬教授领衔，西澳大学张金强研究员联合江苏大学王帅军博士采用“限域配体”策略，在氮化碳材料上构建新型配位环境（Co-C₂N₃）的钴单原子催化剂（Co_SA-CN-20），其结构具备“非对称配位”和“多活性位点”两大特点。这种设计加速了电子和空穴的分离效率，实现了两段动力学污染降解机制，大幅提升了污水净化能力。

在可见光照射下，Co_SA-CN-20在60分钟内可降解98.6%的双酚A（BPA），显示出极高的净化效率。研究发现，反应过程遵循“两段式动力学”，其二级反应速率常数较纯g-C₃N₄提升114倍，远超常见对称结构的单原子催化剂。在连续流水处理体系中，Co_SA-CN-20展现出长达10小时的稳定污水处理能量，污染物的去除率始终保持在93.2%左右，表现出优异的稳定性和应用潜力。

原位表征结合理论计算表明热电子和O₂易于集中在Co-C₂N₃位点，而空穴和BPA则主要聚集在基底表面。原位红外光谱进一步揭示BPA在反应过程中的实时变化轨迹，明确了一个由“非对称结构”引发的双阶段反应机制：在第一阶段，光照激发产生的空穴直接将BPA氧化；第二阶段中，电子被引导至Co-C₂N₃位点，激活O₂生成超氧自由基，与热空穴协同作用实现污染物的深度矿化。该工作从原子尺度阐明了配位对称性调控催化剂电子结构的本质规律，建立了"结构不对称性-载流子行为-反应动力学"的因果关系链，为设计新型环境催化材料提供了理论框架与技术范式。

Asymmetric Coordination in Cobalt Single-Atom Catalysts Enables Fast Charge Dynamics and Hierarchical Active Sites for Two-Stage Kinetics in Photodegradation of Organic Pollutants

Xiaoming Liu, Yang Zhang, Puhua Sun, Dr. Fengting He, Yuzhao Wu, Dr. Shuaijun Wang, Prof. Shaobin Wang, Dr. Jinqiang Zhang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202507028