全氟和多氟烷基物质（PFASs）以其极高的碳-氟键能（约485kJ/mol）而被冠以“永久化学品”之名。传统的高级氧化技术（基于羟基自由基）因PFASs分子已经被高度氧化，对其几乎无能为力。开发能在温和条件下高效断裂C-F键的新型催化体系，是水处理领域面临的重大科学挑战。单原子催化剂因其100%的原子利用率和独特的配位电子结构，为这一难题提供了全新的解决思路。本研究以氮掺杂碳纳米管为载体，通过高温热解策略成功制备了原子级分散的Fe-N₄催化剂（Fe-N-CNT）。
球差电镜和X射线吸收精细结构谱（XAFS）明确证实了铁以孤立的Fe-N₄构型单分散在碳纳米管骨架上。在活化过一硫酸盐（PMS）的实验中，该催化剂对全氟辛酸（PFOA）展现了超乎寻常的降解活性。在常温常压下，6小时内PFOA的去除率超过95%，游离氟离子产率达65%，脱氟效率是传统钴氧化物纳米颗粒的数十倍。通过电子顺磁共振（EPR）和化学探针法鉴定，该体系中产生的活性物种并非传统的硫酸根自由基或羟基自由基，而是高价铁-氧络合物（Fe(IV)=O）和表面活化PMS复合物共同主导的非自由基氧化路径。
密度泛函理论计算从原子层面揭示了反应机理。PMS分子以侧基方式吸附在单原子Fe-N₄位点上，通过双电子转移路径生成Fe(IV)=O物种。这种高价铁-氧络合物具有极强的夺电子能力，能够直接攻击PFOA分子中电子云密度相对较高的羧基端，引发脱羧反应，随后逐级断裂C-F键，释放出F⁻。同时，碳纳米管的限域效应和优异的导电性，有效防止了单原子铁位点的团聚和流失，并促进了电子传递。LC-MS/MS分析检测到一系列逐级缩短碳链的全氟羧酸中间产物，证实了逐级脱氟的降解路径。
该催化剂在连续5次循环使用中活性保持稳定，铁离子的溶出浓度极低。在含有高浓度天然有机质和无机阴离子的真实地下水基质中，对PFOA的降解效率仅有微弱下降，展现了卓越的抗干扰能力和实际应用前景。该研究为设计高性能、长寿命的单原子催化剂，用于水中PFASs的深度脱氟提供了理论与实验基础。
