基于半导体的Z型光催化剂因能模拟自然光合作用的电子传输过程而在太阳能转化和环境修复领域拥有巨大的应用潜力。然而，较差的光补货能力、快速的光生电子复合阻碍了光催化的应用。构建两种/多种半导体异质结是突破光催化瓶颈的最有前景的方法之一，其中由p型半导体和n型半导体构建的p-n型异质结，可在异质结内界面产生内建电场可加速光生电子的分离和转移。

单原子催化剂（SACs）能够模拟酶催化并且拥有均相催化和非均相催化的特点。目前，调控SACs的催化活性主要依赖于对单原子类型、配位环境和载体性质的优化，而通过结构设计提升SACs的催化性能仍十分具有挑战且相关研究较少。

基于此，近日，浙江师范大学吴西林副教授和澳大利亚阿德莱德大学段晓光博士合作，通过在ZnO（核）表面包裹一层超薄单原子Co-CN（壳），设计和制备出一种新型核壳p-n异质结结构（ZnO@SA-Co-CN），并研究了其协同催化类光芬顿反应的性能及机理。

通过电镜观察到几个纳米厚度的SA-Co-CN包裹在ZnO表面，且单原子Co锚定在表面的CN层上。X射线吸收光谱表明Co的配位环境为Co-N₄。ZnO和单原子Co-CN异质结在类光芬顿反应中具有独特优势。首先，ZnO表面的超薄SA-Co-CN能够降低ZnO@SA-Co-CN的带隙，增强光催化性能；另一方面，ZnO能为SA-Co-CN提供光生电子，加快表面Co催化位点的氧化还原过程。其中，ZnO和SA-Co-CN之间的内建电场能够促进光生电子向Co单原子位点快速（2 ps）的定向转移。采用瞬态吸收光谱证实了上述电子的快速定向转移过程，采用实验和理论计算结合的方式揭示了ZnO@SA-Co-CN增强PMS吸附和活化的机理。

最后，该工作还设计和构建了能够处理实际污水的连续式光芬顿反应器，在300分钟的连续运行中，罗丹明B的降解率保持在~100%，显示出其大规模应用的潜力。该工作为合理设计、合成Z型光催化剂提供了新思路和新方向。提出通过结构设计增强单原子催化剂性能的新策略，为单原子催化剂在光催化和环境修复领域提供了新的应用案例和理论基础。