废源钴基电催化剂高效还原硝酸盐制氨及可持续资源回收研究

针对硝酸盐污染治理与氨资源化需求，研究人员利用废电池和酿酒废料合成钴基电催化剂（Co-NBC），通过NO3RR（硝酸盐电化学还原）实现75.32 mg h?1 mgcat.?1的氨产率及88.36% NH4+-N回收效率，结合原位FTIR和DFT揭示反应机制，并在实际废水处理中验证其工程可行性，为“以废治废”的循环经济提供新范式。

　　

随着农业和工业活动的加剧，水体中硝酸盐（NO₃^?）污染已成为全球性环境问题，不仅威胁生态系统健康，还造成氮资源的巨大浪费。传统处理方法如生物反硝化或物理吸附往往面临能耗高、副产物多等瓶颈。与此同时，氨（NH₃）作为重要的化工原料和氢能载体，其传统合成依赖高能耗的哈伯-博世法（Haber-Bosch），每年产生超5亿吨CO₂排放。如何将环境污染物转化为高值资源，成为可持续发展领域的关键挑战。

针对这一难题，来自中国的研究团队创新性地提出“以废治废”策略，利用废弃锂离子电池中的钴（Co）和酿酒废料（酒糟）中的碳源，设计出高性能钴-氮掺杂碳（Co-NBC）电催化剂，实现了硝酸盐高效还原制氨（NO₃RR）与资源回收的双重目标。相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。

研究团队采用硝酸浸取法从废电池阴极（LiCoO₂）中回收钴，结合酒糟热解产生的氮掺杂碳基质构建催化剂。通过原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）和密度泛函理论（DFT）计算解析反应路径，并在流动式反应器中测试实际化肥废水（NO₃^?-N浓度3573.30 mg L^?1）处理性能。

材料与性能优化
催化剂合成中，阴极材料用量显著影响钴浸出效率。当用量增至2.0 g时，氨产率提升至75.32 mg h^?1 mg_cat.^?1（较基准提高16.35 mg）。DFT分析表明，钴活性中心优化了电子重分布，降低关键中间体NOH*的形成能垒，使NO₂^?→NH₃步骤的活化能减少61.5%。

氨回收与工程验证
在连续10小时处理化肥废水的实验中，系统累计产氨172.11 mg，法拉第效率接近100%，能耗仅96.75 kWh kg_NH3^?1。通过气提-吸收装置同步回收的NH₄Cl纯度达88.36%，碳足迹较哈伯-博世法降低61.5%（2038.63 vs 5296.64 gCO₂ kg_NH3^?1）。

结论与意义
该研究开创了“废物-催化剂-资源”的闭环模式：废电池提供活性金属，酒糟构建碳载体，最终产物氨又可回用于农业生产。技术经济分析显示，该工艺每处理1吨NO₃^?-N可节约40.66 mol天然气，兼具环境与经济效益。这项工作为电化学驱动的人工氮循环提供了可扩展的解决方案，其“污染治理-能源转换-资源再生”三位一体策略对实现双碳目标具有重要启示。