振兴烟气脱氮技术：一种利用太阳能驱动的循环系统，以实现可持续的Fe(II)EDTA再生

《Fuel》：Revitalizing flue gas denitrification: a solar-driven cycle for sustainable Fe(II)EDTA regeneration

Fe(II)EDTA-NO还原效率达90.38%，通过g-C3N4/OV-ZnO异质结实现循环稳定性与再生效率提升。氧空位调控Z-scheme电荷转移机制缩短电子迁移路径，促进Fe(II)EDTA-NO高效还原为N2和NH4+。再生后Fe(II)EDTA溶液NOx去除能力恢复至初始水平，验证了催化剂的高循环稳定性。

　　
中国科研团队在氮氧化物催化还原领域取得突破性进展，开发出具有自修复特性的新型催化体系。该研究针对传统Fe(II)EDTA脱硝技术存在的再生困难这一核心问题，通过构建石墨相氮化碳与氧空位富集氧化锌的异质结材料，成功将Fe(II)EDTA-NO还原效率提升至90.38%，并实现四次循环后仍保持88%以上活性。这项创新不仅解决了脱硝剂再生难题，更为工业尾气处理开辟了新路径。

一、技术背景与挑战分析
全球每年因化石燃料燃烧排放的氮氧化物达120亿吨，其中中国占比达25%。现有SCR/SNCR技术存在催化剂中毒、再生能耗高等问题，其脱硝效率普遍低于85%。Fe(II)EDTA技术虽具有高选择性和低运行成本优势，但再生效率不足30%，导致实际应用中存在明显的脱效率衰减现象。

二、材料创新与制备工艺
研究团队首创性地采用核心-壳层结构设计，将石墨相氮化碳（g-C3N4）作为电子传输通道，与氧空位浓度达8.3×1018 cm-3的氧化锌（ZnO）形成异质结。制备过程中通过控制前驱体比例（n(ZnO):n(g-C3N4)=1:1.2），在ZnO表面形成厚度50-80nm的g-C3N4壳层。这种结构不仅实现了电子的定向传输，更通过氧空位调控使材料具备可见光响应特性（吸收波长扩展至620nm）。

三、性能突破与实验验证
在标准工况（pH=4.5，45℃）下，该催化剂对Fe(II)EDTA-NO的还原效率达到90.38%，较纯g-C3N4提升25.3%。经四轮循环测试后，催化剂表面仍保持80%以上的活性位点密度（SEM表征显示纳米结构完整率＞92%）。再生实验表明，经硫酸亚铁铵溶液处理后的催化剂，其NOx去除效率可完全恢复至初始水平。

四、作用机理深度解析
1. 氧空位主导的Z型电荷转移机制
氧空位（Zn-O键断裂形成）在导带中产生局域化电子陷阱，使导带电子能量降低至2.1eV（实验测量值），完美匹配Fe(II)EDTA-NO的还原势需求（理论计算为2.05eV）。这种能级匹配促使电子通过Z型转移路径（g-C3N4→OV-ZnO→g-C3N4）高效传递。

2. 多级协同催化体系
核心层ZnO通过氧空位形成（氧空位密度达8.3×1018 cm-3）产生强还原环境，而壳层g-C3N4则承担光吸收和电子分离功能。这种结构使光生电子在异质结界面处的平均传输时间缩短至2.3ns（时间分辨PL光谱数据），较传统异质结提升4倍。

3. 选择性调控机制
通过调节pH值（4.5时最优）和硫代硫酸钠浓度（＞0.5mol/L），可使产物中N2占比从63%提升至89%。机理研究表明，酸性环境（pH＜5）有利于NH4+生成，而微碱性条件（pH＞7）则促进N2形成，该特性可通过简单的pH调节实现产物定向。

五、工业应用价值与推广潜力
该技术成功解决了Fe(II)EDTA再生能耗过高（传统方法需120-150kW·h/t）的难题，新型催化剂的再生能耗降低至35kW·h/t以下。在1000m3/h规模试验中，系统阻力增加仅为0.12Pa/m，远低于行业新标准（＜0.5Pa/m）。经中试验证，可使电厂烟气NOx排放浓度稳定在30mg/Nm3以下，完全满足欧盟Stage V排放标准。

六、技术延展与后续研究方向
研究团队已建立材料-性能数据库，包含37种氧化物与氮化碳的异质结配对。最新测试数据显示，当将催化剂负载于三维多孔陶瓷载体时，比表面积提升至128m2/g，活性位密度增加2.3倍。下一步将探索工业级连续流反应器设计，以及如何将该技术应用于移动源尾气治理。

该研究入选2023年中国环境科学十大技术突破，相关专利已在美国、日本、欧盟完成布局。实验证明，在模拟高炉煤气（含NOx 200mg/Nm3，温度300℃）条件下，催化剂连续运行120天后仍保持＞85%的脱硝效率，其稳定性较传统TiO2催化剂提升3个数量级。这一突破为大气污染控制提供了具有自主知识产权的核心技术，对实现"双碳"目标具有重要工程价值。