几何结构优化的Pd/Cu双金属电极：高效电化学硝酸盐还原与氮气选择性提升研究

本研究针对废水中硝酸盐(NO3-)污染问题，通过电沉积法制备Pd/Cu双金属电极，显著提升电化学硝酸盐还原(ENR)效率。Pd/Cu5m催化剂实现98.83%硝酸盐去除率和98.72%氮气(N2)选择性，结合电渗析系统可同步回收碱液，为废水处理提供高效稳定解决方案。

　　

随着工农业快速发展，硝酸盐污染已成为全球性环境问题。过量硝酸盐通过农业径流和工业废水进入水体，不仅引发水体富营养化，更会转化为亚硝酸盐(NO₂^-)和亚硝胺等致癌物，威胁人类健康。世界卫生组织规定饮用水硝酸盐上限为10 mg/L，但传统处理方法如离子交换成本高昂，生物脱氮效率低下。电化学还原法虽能直接将硝酸盐转化为无害氮气，却面临副产物多、电极稳定性差等挑战。

针对这一难题，台湾长庚大学和明志科技大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新成果。他们通过精确控制电沉积时间（5分钟和9分钟），在铜泡沫基底上构建Pd/Cu双金属催化剂，系统研究了其对电化学硝酸盐还原(ENR)性能的影响。研究采用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HR-TEM)等表征手段，结合循环伏安法(CV)、离子色谱(IC)等电化学测试，发现Pd/Cu_5m电极具有最优性能：硝酸盐去除率高达98.83%，氮气选择性达98.72%，且能在8小时内保持1.36 mA/cm²的稳定电流密度。

主要技术方法

1. 电沉积法制备Pd/Cu双金属电极
2. X射线吸收近边结构(XANES)分析电子结构
3. 三室反应器集成电渗析系统
4. 电化学测试（CV/LSV/CA）结合IC定量分析

研究结果
形态与元素分析
FESEM显示Pd/Cu_5m电极表面纳米颗粒分布均匀，比表面积显著增加。XPS证实Pd⁰和Cu⁰的协同作用，促进NO₃^-吸附和电子转移。

电化学性能
LSV测试表明Pd/Cu_5m起始电位正移0.21 V，反应动力学显著提升。CA曲线证实其稳定性优于单一金属电极。

集成系统应用
结合电渗析后，碱室NaOH浓度提升37.8%，实现资源回收。催化剂经10次循环后活性仅下降2.1%。

结论与意义
该研究通过几何结构设计，首次实现Pd/Cu双金属电极在ENR中近100%的氮气选择性。其创新性体现在：① 5分钟短时电沉积获得最佳活性位点分布；② 阐明Cu促进NO₃^-→NO₂^-、Pd催化NO₂^-→N₂的分步反应机制；③ 集成电渗析系统拓展了实际应用场景。这项工作为发展"零废"水处理技术提供了重要范式，Thi Nhat-Tuyen Nguyen等作者的多学科合作模式也为环境催化研究树立了新标杆。