综述：基于还原氧化石墨烯（rGO）/ 碳复合材料的电催化电极用于高效硝酸盐吸附与还原 —— 当前挑战与未来展望

本综述聚焦水源硝酸盐污染问题，探讨 rGO / 碳复合电催化电极的应用潜力。该材料凭借高表面积、导电性及催化性，可吸附并还原硝酸根（NO3-）。文中分析机制、制备挑战、稳定性及工业应用路径，指出现有 scalability、材料耐久性及副产物（如氨）问题，展望可持续水处理方案。

　　

硝酸盐污染现状与危害

水源硝酸盐污染已成为全球重大环境问题，主要源自农业径流、工业废水及生活污水。水体中过量硝酸根（NO₃^-）不仅威胁人类健康 —— 如诱发新生儿高铁血红蛋白血症（methemoglobinemia，即 “蓝婴儿综合征”）、增加成人患癌风险，还会引发水体富营养化（eutrophication），导致藻类过度繁殖、水体缺氧，形成水生生物难以存活的 “死亡区”，严重破坏生态平衡。此外，硝酸盐污染与温室气体排放关联，加剧气候变化，阻碍可持续发展目标（SDG 6）的实现。因此，开发高效、可持续的硝酸盐去除技术迫在眉睫。

rGO / 碳复合电催化电极的特性与机制

还原氧化石墨烯（rGO）/ 碳复合电催化电极因其独特性能成为硝酸盐去除的理想材料。rGO 具备高表面积、优异导电性及丰富含氧官能团（如 C-O），可通过静电作用与离子交换高效吸附 NO₃^-。同时，电催化还原过程在外加电流作用下，将吸附的 NO₃^-转化为氮气（N₂）等无害物质，减少氨等副产物生成。碳材料（如活性炭、碳纳米管 CNTs）与 rGO 复合后，通过协同效应进一步提升吸附容量与电化学性能：高表面积提供更多吸附位点，导电网络加速电子转移，催化活性位点促进 NO₃^-定向还原为 N₂。例如，金属（铜、镍、铁等）掺杂的 rGO / 碳复合材料可作为活性中心，增强催化选择性，抑制副反应，提升转化效率。

材料制备与性能优化

rGO / 碳复合材料的制备通常以氧化石墨烯（GO）为前驱体，通过 Hummers 法等工艺将石墨氧化为 GO，再经还原获得 rGO。与活性炭、CNTs 等碳材料复合时，可通过调控合成条件（如碳化温度＞700℃）优化导电性与孔隙结构。金属掺杂通过引入过渡金属（如 Cu、Ni）形成活性位点，例如 CuO/Cu₂O 与氮掺杂多孔 rGO 复合可提升传感器灵敏度，金属改性 rGO 还可增强光催化性能。这些改性手段显著提升材料对 NO₃^-的吸附 - 还原效率，同时提高电极稳定性与重复利用率。

现存挑战与未来方向

尽管实验室研究显示 rGO / 碳复合电极具有高效性，但实际应用仍面临多重挑战：

1. 规模化制备：实验室合成方法难以直接放大，需优化工艺以降低成本并保证材料均质性；
2. 长期稳定性：长时间运行中材料易受腐蚀或结构坍塌，影响性能持久性；
3. 副产物控制：还原过程中可能生成氨等有害中间产物，需通过材料设计提升反应路径选择性；
4. 工业适配性：需开发适配不同水质的电极构型，优化电催化系统参数（如电流密度、pH 值）。

未来研究需聚焦开发低成本、易量产的合成工艺，例如利用生物质碳（如木材、椰壳废弃物）制备复合材料，兼顾经济性与环境友好性。同时，通过原子级掺杂、异质结构建等手段调控电子结构，进一步提高 N₂选择性，减少副产物。此外，推动中试规模验证与工业示范项目，评估材料在复杂废水环境中的实际表现，是实现技术落地的关键步骤。

结论与展望

rGO / 碳复合电催化电极凭借吸附 - 电催化协同机制，为硝酸盐污染治理提供了创新解决方案。其高选择性、可设计性及可持续性契合全球水质改善需求，有望成为工业废水处理的核心技术。尽管面临 scalability 与稳定性挑战，通过材料科学与工程技术的交叉创新，该技术将逐步向实际应用转化，为实现清洁水与 sanitation（SDG 6）目标贡献力量。未来研究需紧密结合环境需求，推动基础研究向工程应用的跨越，助力构建可持续的水治理体系。