环院智慧｜铁环境化学与污染控制团队在自然科学综合期刊SCIENCE BULLETIN撰文评述铜基材料在电化学处理硝氮废水中的应用

近期，上海交通大学环境科学与工程学院铁环境化学与污染控制研究团队（张礼知教授团队）在综合性Top期刊Science Bulletin发表了题为《Electrochemical nitrate reduction to ammonia on copper-based materials for nitrate-containing wastewater treatment》的视点文章，第一作者为么艳彩助理教授。

文章简介

硝酸盐广泛分布于工业废水、纺织废水、受污染的地下水等，其大量排放严重威胁自然氮循环和人类生命安全。硝酸盐具有高稳定性、高溶解度、较差的吸附能力，导致其深度去除非常困难。当前工业上生物化学脱氮工艺存在效率低、条件苛刻、产生大量污泥等缺点。为了实现硝氮废水的深度处理，研究人员致力于将硝氮转化为氨氮，进一步结合生化方法实现总氮(NH₄⁺-N和NO₃⁻-N)的深度去除。电化学技术可以选择性实现硝氮转化为氨氮，为硝氮废水处理提供了一种绿色、高效的手段。最近，电化学技术与传统生化脱氮技术结合形成的电化学-厌氧氨氧化(electrochemical-anammox)工艺能实现总氮的深度去除，成为目前最有潜力的硝氮废水处理技术之一。因此，本文将重点关注电化学选择性转化硝氮为氨氮的过程(nitrate reduction reaction，NO₃⁻RR)，为电化学技术在脱氮领域的应用奠定理论基础。

电化学还原硝氮到氨氮涉及八个电子(NO₃⁻+ 9H⁺ + 8e⁻→NH₃ + 3H₂O)的转移，并伴随着产生*NO₂、*N、*NO、*NOH、*NH₂等多种含氮中间体。在反应过程中，多种含氮中间体的相互转化，导致NO还原产物的多样性。在大多数情况下，NO电还原的产物主要包括N₂和NH₃。同时，该过程伴随着发生竞争性析氢反应。NO₃⁻还原过程中N₂和H₂的形成会消耗大量的电子，大幅度降低NO₃⁻-to-NH₃ 的法拉第效率。理论上而言，电极表面与含氮中间体的相互作用决定了催化反应路径，进一步影响NO₃⁻还原的最终产物。因此，发展高活性和高选择性电极是提高NO₃⁻-to-NH₃ 选择性转化的关键。

近年来，铜基材料因其优异的催化性能、丰富的储量和低廉的价格在电化学硝氮还原中表现出极大的潜力。然而，Cu在催化NO₃⁻-to-NH₃转化中仍然存在以下问题：（1） 在高电流密度下，NH₃法拉第效率较低；（2）NO₂⁻中间体在Cu表面的吸附能太强，阻碍了NO₃⁻向NH₃的逐步转化。考虑到这些问题与Cu的电子结构息息相关，有望通过调控Cu的d带中心加以改善，在本文中，我们总结了优化Cu催化剂电子结构，从而调控反应物种的吸脱附行为，最终改善其NO₃⁻-to-NH₃催化活性的一些策略。该工作可为硝酸盐电化学高效转化提供新思路。

该研究得到国家重点研发计划项目（No. 2018YFC1800801）、国家自然科学基金（NO. 21872061和22102100）以及上海市自然科学基金面上项目（No. 22ZR1431700）等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.05.004

团队简介

上海交通大学环境科学与工程学院铁环境化学与污染控制研究团队，长期致力于铁环境化学与污染控制技术、环境多界面转化过程、绿色友好型环境修复材料、光电化学污染物定向转化等方面的研究。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年基金、国家自然科学基金重点基金等项目，在包括Chem、Acc. Chem. Res.、Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.、ES&T等SCI源学术期刊发表论文300多篇。

期刊简介

Science Bulletin是由中国科学院（CAS）和中国国家自然科学基金会（NSFC）共同创办的多学科综合类学术期刊，主要报道自然科学各学科基础理论和应用研究的最新研究动态，包括生命科学与医学、地球科学、物理学（力学、天文学）、化学、材料科学、工程科学以及自然科学各新兴学科和交叉学科领域的最新研究进展。

据悉，Science Bulletin（即时IF20.231）与National Science Review（即时IF21.671）并为我国自然科学综合类学术刊物之旗舰，在科学与技术领域中具有非常重要的影响力。

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供稿｜铁环境化学与污染控制技术团队

责编｜葛天意

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