협력적 스핀 정렬이 폐수 전산화 시스템에서 선택적 싱글렛 산소 생성을 촉진한다

요약 생분해성을 향상시키기 위한 선택적 비라디칼 산화는 폐수 전처리에서 매력적인 방법이지만, 과산모노설페이트(PMS) 활성화의 분자적 제어는 아직 명확하지 않다. 본 연구에서는 초분자 자기조립법으로 합성된 두 번째 껍질 붕소 배위체를 가진 Fe‐N4 촉매(FeN4/B)를 보고한다. 두 번째 껍질 B는 장거리 전자 조절과 협력적 스핀 정렬을 부여하여 Fe-PMS* 부가체를 고스핀 상태로 전환시키고 스핀 허용계 계면 전하 이동을 촉진한다. 동시에 PMS와의 공유결합 B─H 결합이 핵심 중간체인 SO5*를 생성하여 PMS 활성화를 싱글렛 산소 쪽으로 이끈다. 이러한 구조 제어를 통해 96% 이상의 1O2 선택성과 관찰된 속도 상수 k_obs = 1.64분−1, 1O2 생산 속도 227 µmol L−1분−1, 그리고 98% PMS→1O2 전환을 달성한다. FeN4/B는 10분 내에 15종의 고독성 오염물질을 신속히 분해하며, pH 변동, 일반 이온/DOM 간섭, 다양한 자연수 조건에서도 활성을 유지한다. 하이드로겔 고정형 ALICR-FeN4/B 모듈로 구현된 이 촉매는 168시간 연속 작동, 방류수 생분해도(BOD/COD > 0.50) 증가, 급성 독성 감소 및 하류 생물학적 처리 부담 경감을 나타내며, 전처리 비용은 약 0.14 t−1로 평가된다. 이 결과는 원자 수준 설계와 확장 가능한 물 처리 기술을 잇는 두 번째 껍질 공학의 중심 축으로서 협력적 스핀 정렬을 확립하여 선택적 PMS→1O2 전환에 기반한 실용적이고 경제적인 전처리를 가능하게 한다.