镍掺杂三维Fe3O4无贵金属电催化技术：提升N2选择性及城市污水硝酸盐污染治理新策略

为解决水体硝酸盐污染治理中Fe基材料N2选择性低、依赖断点氯化的问题，研究人员通过水热还原法制备了花壳结构Ni-Fe3O4电极，实现了95.1%硝酸盐去除率和39.5% N2选择性，显著降低对Cl-的依赖。该研究为铁基催化剂设计提供了新思路，具有重要环境应用价值。

　　

水体硝酸盐污染已成为威胁生态系统和人类健康的严峻问题。传统处理方法如电渗析、吸附等存在二次污染风险，而现有Fe基电催化剂虽成本低廉，却面临N₂选择性低（主要产物为氨）、需依赖断点氯化（添加Cl^-/Br^-氧化氨为N₂）等瓶颈。如何通过材料设计突破N迁移能垒、促进N-*N碰撞成为关键科学挑战。

大连理工大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，创新性地采用水热还原法构建了花壳结构Ni-Fe₃O₄电极。该材料通过三维形貌增强传质，利用Ni的3d电子层特性调控[H]浓度，在150分钟内实现95.1%硝酸盐去除率和39.5% N₂选择性（较纯Fe₃O₄提升3.53倍），并在含500 mg/L Cl^-时N₂选择性跃升至96.7%。研究结合DFT计算揭示了Ni掺杂降低N生成自由能、抑制N-H碰撞的机制，并在实际市政污水处理中验证了其连续处理硝酸盐、溶解有机物和总氮的能力。

关键技术方法包括：水热合成Ni-Fe₃O₄催化剂（调控NiCl₂·H₂O/FeCl₃·6H₂O摩尔比）、XRD/SEM表征材料晶体结构与形貌、电化学测试系统评估硝酸盐还原性能、气相色谱定量N₂产物、DFT计算反应能垒，以及实际污水验证实验。

【材料表征】XRD显示Ni-Fe₃O₄成功保留Fe₃O₄(PDF#19-0629)晶格并引入NiO(PDF#44-1159)活性位点，SEM证实其独特花壳结构提供高比表面积。

【性能优化】对比实验表明，0.25 mmol Ni掺杂量（Ni-Fe₃O₄-2）性能最优，其电流效率达49.0%，较未掺杂样品提升2.1倍。溶解有机物会竞争活性位点导致效率下降。

【机制解析】DFT计算证实Ni使N生成自由能从1.38 eV降至0.72 eV，同时抑制N+H→NH副反应，促进Eley-Rideal机制下N-*N直接偶联。

【实际应用】处理某市政污水厂二级出水时，对10 mg/L NO₃^--N的去除率保持85%以上，总氮去除率达72.3%，且电极稳定性良好。

该研究突破性地通过Ni掺杂和形貌调控双策略，解决了Fe基催化剂N₂选择性低的行业难题。其创新点在于：（1）首次将花壳结构设计与Ni-Fe协同效应结合；（2）阐明Ni调控[H]浓度促进*N-*N碰撞的新机制；（3）实现从实验室到实际污水的技术跨越。这项工作为发展绿色高效的水体脱氮技术提供了理论依据和材料基础，对推动电催化技术工程化应用具有里程碑意义。