清華大學環境學院實現水中硝酸鹽污染高效還原去除與能源利用_風聞

近日，清華大學環境學院李淼副教授團隊在水中硝酸鹽污染物高效還原去除與能源利用方面取得新進展，開發出了一種磷摻雜單原子鈷催化劑，實現了對水中硝酸鹽污染物的高效還原去除，提高了硝酸鹽轉化為氨的產率。

全球活性氮增加引起的氮循環失衡使硝酸鹽成為水中最普遍的污染物之一。硝酸鹽污染威脅着生態安全和人類健康。通過硝酸鹽還原方式合成氨，不僅有助於水中硝態氮污染物的去除，而且有助於緩解社會對氨能源的需求，減少污染，降低能耗。電化學反應過程對條件要求適中，易於運行並且高效，可將硝酸鹽直接轉化為氨。但通常在硝酸鹽的電化學還原過程中，在納米及更大尺寸電極的活性位點上易於發生氮-氮偶聯反應生成氮氣，制約氨的高效生成。因此，開發具有高活性、低成本和高選擇性優勢的電極材料是該領域研究的核心之一。李淼團隊針對鈷（Co）金屬電極活性差、易鈍化導致難以實用的瓶頸，通過缺陷碳的穩定固化作用，開發了一種磷（P）摻雜的單原子鈷催化劑材料（如圖1所示），可有效避免偶聯反應發生，使最終產物具有更高的氨選擇性和還原活性。這種磷摻雜單原子鈷催化劑具有更高的硝酸鹽還原去除性能，以其作為催化劑的最高氨生成法拉第效率為92.0%、最高氨產率為433.3μgNH4+·h−1·cm−2。

圖1 單原子催化劑結構形貌分析結果

研究團隊採用自然界極少的15NO3−作為氮源，以同位素標記法進一步證明了氨生成的唯一氮來源為硝酸鹽。利用1H核磁共振（NMR）儀對產生的氨進行檢測，14NH4+和15NH4+的核磁譜圖分別具有典型的三峯和雙峯結構。研究採用多種實驗分析手段對載體結構進行了分析。結果表明，磷的摻雜進一步提高了碳氮載體的缺陷程度，提供了更多的固定位點負載單原子鈷，並且缺陷位點會對相鄰金屬鈷活性位點的電子結構和性能產生影響，提高了電極導電性。

圖2 電極性能結果

研究團隊根據密度泛函理論計算，創新強化污染物淨化的單原子尺度結構調控理論與方法，從分子水平上對硝酸根在模型單原子鈷催化劑活性位點的轉化反應機理進行了探究，分析反應路徑和能量變化。結果表明，硝酸根在單原子位點上逐步發生脱氧加氫的基元反應，N*物種可以在外部提供能量時進一步偶聯形成氮氣，也可以自發與氫逐步反應形成銨鹽。磷摻雜後形成的缺陷位點可以促進臨近CoP1N3位點對硝酸鹽的催化轉化，硝酸鹽還原過程發生8電子數轉移生成銨鹽。此外，研究還發現，金屬活性位點臨近的缺陷結構有助於進一步提高單原子催化劑活性，在理論上為設計高活性位點的催化劑提供指導並揭示硝酸反應轉化和產物分佈規律。

圖3 反應機理示意圖

該研究成果於7月12日以《高法拉第效率鈷單原子催化劑顯著促進氨生成》（Boosted ammonium production by single cobalt atom catalysts with high Faradic efficiencies）為題在線發表在《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上。論文第一作者為環境學院博士後李佳澄，論文通訊作者為環境學院李淼副教授，環境學院劉翔教授等人對實驗提供了重要指導和幫助。研究項目得到國家自然科學基金面上項目和重點研發計劃的資助。

供稿：清華大學