在迈向可持续化学的重要一步中，研究人员发现了一种新方法，可通过电催化剂的原位演变，显著提升电化学硝酸盐还原为氨的效率。这一突破为传统的氨合成工艺提供了一种更清洁的替代方案，并解决了水系统中硝酸盐污染这一关键问题。通过提高氨生产的效率和选择性，这项研究对环境的可持续发展和资源管理产生了深远影响。

氨是生产化肥、化学品和能源的关键原料，但其传统生产方法的能耗极高。同时，农业径流和工业废弃物造成的硝酸盐污染威胁着全球的水生态系统。电化学硝酸盐还原技术为解决这两个问题提供了一个前景广阔的解决方案：它既能去除水中有害的硝酸盐又能生产氨。鉴于这些挑战，对电化学硝酸盐还原技术开展深入研究至关重要。

这项由南方科技大学和华南理工大学的研究人员共同完成的研究以“In Situ Evolution of Electrocatalysts for Enhanced Electrochemical Nitrate Reduction under Realistic Conditions”为标题发表于ESE，并获得AlphaGalileo、Newswise、Sciencenewsnet.in、24-7 Press Release、Fox 40等国际科技新闻媒体的广泛传播。

研究团队评估了原位演变电催化剂，特别是泡沫镍和泡沫铜阴极，在实际条件下将硝酸盐转化为氨的性能。结果表明，研究所使用的催化剂性能显著优于原始催化剂，为潜在的工业应用提供了宝贵见解。

研究展示了原位演变催化剂在增强电化学硝酸盐还原方面的显著效率。在使用泡沫镍和泡沫铜阴极时，与原始状态相比，它们能够自激活并显著提高了硝酸盐到氨的转化率。然而，钙离子和碳酸氢根离子的存在构成了挑战，它们形成的垢层会阻塞催化剂的活性位点，特别是在处理实际地下水的连续流操作过程中。尽管存在这些障碍，但研究结果仍表明该技术具有处理受硝酸盐污染的地下水的潜力，并展示了在水净化和绿色化学中可扩展应用的前景。

该研究的通讯作者雷洋强调了这些发现的影响：“在电化学系统中，一般认为阴极材料相对稳定，不会发生变化。然而，我们研究发现，在电催化硝酸盐还原过程中，阴极表面的形貌、粗糙度和元素组成都发生了不同程度的改变，特别是泡沫镍和泡沫铜电极，表面生成了新的镍或铜活性位点，大幅提升电催化硝酸盐还原产氨性能。这些催化剂的原位演变为我们能够设计出解决现实世界环境问题的高效系统提供了新的可能性。另一方面，电极的原位演变受硝酸盐污染水体中共存成分，特别是硬度离子和碱度的影响。”

该研究有望同时改变氨生产和水处理的格局。通过提高硝酸盐还原效率，它提供了一种比传统的哈伯法更清洁、更节能的替代方案。该技术可以帮助工业界减少能源消耗并降低环境影响。未来的研究将致力于提高催化剂在长期运行中的耐用性和性能，特别是在污水处理方面。

图1  使用泡沫镍阴极的电化学硝酸盐还原法。a, 钙离子和碳酸氢盐对10次循环去除硝酸盐的影响。b-c, 不同离子成分下新的和使用过的泡沫镍的XRD图谱（b）和拉曼光谱（c）。d, 仅硝酸盐条件下，NH₄⁺、NO₂^-、NO₃^-和其他氮物种的演变。e-f, 新的和使用过的泡沫镍在不同测试条件下的LSV曲线（e）和Nyquist图（f）。g-h, 新的（g）和使用过（h）的泡沫镍在NO₃^-条件下的SEM图像。CPE：恒相元件；R_ct：电荷转移电阻；R_s：溶液电阻。

图2  共存离子和阴极材料的共同影响。a-c，泡沫铜（a）、钛板（b）和锡板（c）在不同离子存在下的电化学硝酸盐还原10次循环试验。d-f，泡沫铜（d）、钛板（e）和锡板（f）在不同离子成分下的LSV曲线。g-i，泡沫铜（g）、钛板（h）和锡板（i）在不同离子成分下的EIS Nyquist图。LSV和EIS是在含有50 mM Na₂SO₄和4 mM NaNO₃的电解液中收集的。CPE：恒相元件；R_ct：电荷转移电阻；R_s：溶液电阻

图3  长期运行性能。a，连续流模式处理模拟水、硝酸盐自来水和实际硝酸盐污染地下水的硝酸盐去除效果。b–c，在模拟水（b）和地下水（c）中使用后的泡沫铜的XRD图谱。d，在硝酸盐污染地下水实验中Ca²⁺和Mg²⁺浓度的变化。

作者简介

通讯作者：雷洋，瓦赫宁根大学博士，欧盟玛丽居里学者，南方科技大学助理教授（副研究员），博士生导师，独立PI。长期从事低碳水处理和资源回收技术的研究。在环境领域主流期刊发表论文约40篇，第一/通讯30余篇，谷歌学术引用2300次，单篇引用超600次。授权荷兰和中国发明专利共三项，申请国际专利一项，中国发明专利三项。主持荷兰基金委、欧盟玛丽居里子课题、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科创委等项目。曾获国家优秀自费留学生，Marcel Mulder Prize（一年颁发一位），湖北省自然科学三等奖等荣誉。

课题组网站：

https://faculty.sustech.edu.cn/leiy3

通讯作者：冯春华， 教授，博士生导师，华南理工大学环境与能源学院教授，工业水处理教研所所长，工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室副主任。在Environ. Sci. Technol.和Water Res.等期刊上发表论文120余篇，H因子46。主持国家自然科学基金区域创新联合重点项目、国家重点研发计划项目课题、广东省“特支计划”本土创新团队项目课题等20余项科研项目，入选教育部新世纪优秀人才，广东省“特支计划”青年拔尖人才。长期从事基于环境电化学技术污染物定向转化与资源化的基础研究与工程实践。

第一作者：陈楹锴，华南理工大学-南方科技大学联合培养硕士生，目前已毕业，就职于某新能源公司。

引用信息

Chen, Y., Luo, J., Ling, L., Zhan, Z., Liu, J., Gao, Z., ... & Lei, Y. (2024). In Situ Evolution of Electrocatalysts for Enhanced Electrochemical Nitrate Reduction under Realistic Conditions. Environmental Science and Ecotechnology 23: 100492.

doi: 10.1016/j.ese.2024.100492

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