新型FeCoNiCuMnO高熵陶瓷催化剂实现高效氨分解与绿色制氢

《npj Clean Water》：Ammonia decomposition and hydrogen production via novel FeCoNiCuMnO high-entropy ceramic catalysts

本研究针对工业废水中氨氮污染问题，开发了(FeCoNiCuMn)O高熵陶瓷催化剂，通过电化学氧化法在9 V电压和50 mA/cm2电流密度下实现90分钟内99%的氨分解效率，并产生法拉第效率达64.7%的绿色氢气。该催化剂通过快速移动床热解法制备，呈现AB2O4尖晶石结构，经XRD、XPS等技术验证其稳定性与活性位点特性，为废水处理与清洁能源生产提供双功能解决方案。

　　

随着工业革命以来全球工业技术的蓬勃发展，工业废水处理已成为亟待解决的环境难题。其中，含氮化合物尤其是氨氮（NH₃）浓度的持续攀升，对水生生态系统和人体健康构成严重威胁。传统氨氮处理技术如紫外辐射、膜过滤等虽有一定效果，但面临成本高、能耗大、二次污染等问题。尤其贵金属催化剂（如Ru/CNT）虽活性优异，但其昂贵的价格和有限的资源储量限制了大规模应用。在这一背景下，开发高效、稳定且成本低廉的新型催化剂成为研究热点。

针对这一挑战，Po-Chih Chu等研究团队在《npj Clean Water》发表的最新研究中，提出了一种创新解决方案：利用高熵陶瓷（High-Entropy Ceramic, HEC）材料作为电化学氧化（Electrochemical Oxidation, EO）过程的催化剂，实现氨氮高效分解与绿色氢气（H₂）生产的双重目标。该研究通过快速移动床热解法（Fast-Moving Bed Pyrolysis, FMBP）成功合成了(FeCoNiCuMn)O高熵陶瓷催化剂，并系统评估了其在氨氮废水处理中的性能与机制。

研究团队采用快速移动床热解法制备催化剂，通过X射线衍射（XRD）和X射线荧光（XRF）表征晶体结构与元素分布，利用紫外光电子能谱（UPS）和低能反光电子能谱（LEIPS）分析能带结构，并通过电化学氧化实验评估催化性能，最后使用气相色谱（GC）检测气体产物。

表征结果验证催化剂结构稳定性

XRD图谱显示(FeCoNiCuMn)O粉末呈现AB₂O₄尖晶石结构，且反应前后特征峰保持一致，表明材料具有优异的晶体稳定性。XRF与ICP-OES（电感耦合等离子体光学发射光谱）证实五种金属元素分布均匀，摩尔比例接近设计的20%等原子比。通过XPS（X射线光电子能谱）和HAXPES（硬X射线光电子能谱）分析表明，催化剂表面元素价态在反应后发生变化，其中铁、铜、锰元素被氧化，镍元素还原，而钴元素保持稳定，这种价态变化有助于催化活性的提升。

电催化性能与氨分解效率

能带结构分析显示催化剂的价带顶（VBM）为4.491 eV，导带底（CBM）为-0.231 eV，带隙达4.722 eV，覆盖氨分解及水氧化反应所需的电位范围。在电化学氧化实验中，当电流密度为50 mA/cm²时，氨氮分解效率在30分钟、60分钟和90分钟分别达到72%、96%和99.5%。通过奈斯勒试剂法结合UV-Vis（紫外-可见光谱）检测表明，溶液颜色随反应时间延长逐渐变浅，直观反映氨氮浓度下降。循环稳定性测试中，催化剂在四次重复使用后仍保持90%以上的分解效率，证明其良好的耐久性。

气相产物分析与绿色氢能生产

气相色谱检测证实反应主要产物为氢气、氮气和氧气，其中氢气生成的法拉第效率达到64.7%。该过程通过氯离子（Cl^-）在阳极氧化生成次氯酸（HClO），进而与氨反应生成氯胺中间体（如NH₂Cl），最终分解为氮气。同时，水电解产生的氢气因低碳排放特性可归类为绿色氢能，实现了污染物降解与清洁能源生产的协同增效。

本研究成功开发了一种新型高熵陶瓷催化剂，通过结构设计与反应机制优化，实现了氨氮废水高效处理与绿色氢能生产的双重目标。该催化剂在室温条件下即可实现99%的氨氮降解率，且具备优异的循环稳定性，为工业废水资源化处理提供了新思路。未来通过元素比例调控与反应条件优化，有望进一步提升氢能产率，推动水处理技术与可再生能源领域的融合发展。