植物修復被認為是一種綠色、廉價和環境友好的重金屬污染土壤修復方式。然而，在植物修復過程中會產生大量富含重金屬的生物質，如果處置不當，會產生二次污染風險。因此，超積累植物生物質的安全處置非常重要，亟待研發一種既能安全處置這些含有重金屬的生物質，又能實現資源化利用的方法。
單原子材料是近十年來興起的一種新型材料，是將金屬以單個原子的形式均勻分散在碳材料等基質上，形成“葡萄干-面包”樣結構。金屬單原子就像“葡萄干”一樣散布于基質上，作為反應活性中心，具有100%的原子利用率。由于特殊的量子尺寸、邊界效應與極高的配位不飽和度，單原子材料在諸多領域具有廣泛的應用前景和實用價值。將超積累植物生物質用于單原子材料的制備，可以實現變廢為寶、一舉兩得的目的。
中國科學院南京土壤研究所王玉軍研究員團隊近日利用錳超積累植物美洲商陸，基于一步熱解法，成功制備出了碳基底的錳單原子材料。基于同步輻射的X射線吸收譜(EXAFS)和球差電鏡研究證明，這種錳單原子材料中，錳是以Mn-N4的方式錨定在生物炭基底上。該單原子材料表現出了極高的光催化降解有機污染物的能力，可以在10分鐘內100%降解羅丹明B等有機污染物，并具有非常好的循環穩定性。電子順磁共振(EPR)等實驗發現，在光照條件下該材料可以產生大量的羥基自由基，且該過程需要氧氣的參與，在隔絕氧氣的條件下，其降解有機污染物的能力受到了極大的抑制。研究團隊基于原位EXAFS實驗和分子動力學(DFT)計算等手段揭示其催化降解污染物分子機制：在好氧條件下，氧氣分子吸附到Mn單原子活性中心，導致Mn的價態從II價變為IV價， Mn-N4配位結構變為Mn-N4O1配位，單原子Mn催化氧氣分子解離，釋放出羥基自由基，促進污染物的快速降解。該研究為超積累植物生物質的資源化利用以及廉價單原子材料的合成和實際應用提供了一個新的視角。
