王煜/郭再萍EES：变废为宝！从废水中获得高负载As单原子催化剂用于高效和可持续ORR

砷(As)对氧还原反应(ORR)具有潜在的活性，适当回收地下水中的非金属砷(As)有利于实现环境保护和经济的良性循环。然而，从含砷污染物中回收的砷用于ORR具有活性和稳定性较差的缺点。研究表明，非金属单原子催化剂(SACs)由于其独特的配位环境和易于调节的电子结构，其物理化学性质可以通过人为调制而发生显著改变。此外，拓扑缺陷还可以有效地调节非金属(如氮)的电子结构，从而显著提高其催化活性。但是，低负载的非金属SAC缺乏高活性限制了其实际应用。

因此，开发一种通用的高负载非金属SACs的合成方法，并构建拓扑缺陷以提高非金属的固有活性，对As基SACs的实际应用至关重要。与此同时，具有丰富拓扑缺陷的碳通常更容易氧化，导致催化剂稳定性恶化。因此，阐明As基非金属SACs在结构破坏之前的调控机制和开发一种抑制碳载体氧化的策略，将有助于推动As基SACs实际应用。

近日，重庆大学王煜和阿德莱德大学郭再萍等报道了一种在碳上合成高负载(高达13.78 wt%)非金属As单原子的通用方法。具体而言，锌(Zn)离子被α-D-葡萄糖螯合后首先锚定在碳上，过量的葡萄糖在物理上隔离了Zn离子，避免了它们的大规模团聚；然后通过化学气相沉积(CVD)法，用锌物种大量捕获亚砷酸钠(NaAsO₂)的分解产物，以增加非金属As的负载；最后，锌蒸发构造拓扑缺陷增强了相邻As的固有活性。

实验结果表明，最优的As-DC1-1050催化剂的半波电位(E_1/2)为0.901 V，在35000个反应循环后E_1/2仅下降23 mV。同时，As-DC1-1050在HOFCs中的最大功率密度为701.9 mW cm⁻²，在ZABs中的最大功率密度为179.8 mW cm⁻²，显示出巨大的实际应用潜力。

理论分析表明，拓扑缺陷抑制了电子从As向相邻碳原子的转移，降低了OH*中间体在较低过电位(0.48 V)下对As位点的亲和力。此外，研究人员发现长期运行后碳载体上的氧基和羟基数目增多，导致AsDC1-1050发生降解。因此，研究人员利用再煅烧来减少碳载体上含氧官能团的数量。

结果表明，重新煅烧过程更新了As-DC1-1050的碳缺陷环境，在35000次循环后，半波电位仅衰减4 mV；在燃料电池中运行590小时后，电流密度仅下降9.86%。综上，该项工作提高了非金属SACs的活性，同时抑制了其活性降解，促进了高负载、高活性、高稳定性和低成本的非金属SACs的实际应用。

High-loading as single-atom catalysts harvested from wastewater towards efficient and sustainable oxygen reduction. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D3EE03274D