电驱动纳米多孔膜负载单原子催化剂强化硝酸盐转化效率的研究

为解决传统电化学硝酸盐还原反应效率低、金属催化剂利用率不足的问题，研究人员开发了一种新型Fe单原子催化剂(Fe1/NCBd)负载的碳纳米管电滤膜(Fe1/NCBd@CNT-FEM)，在100 mg N/L低浓度硝酸盐处理中实现86%去除率和86.4%法拉第效率，氨转化频率达15.1 g N g-1 metal h-1，较传统方法提升4个数量级。该研究为水处理与资源回收提供了创新解决方案。

　　

硝酸盐污染已成为威胁全球水安全和生态平衡的严峻挑战。当前饮用水标准要求硝酸盐浓度低于10-20 mg N/L，但大量水源已超标。传统电化学还原技术面临双重困境：低浓度硝酸盐转化效率差，而高负载量金属催化剂又带来成本与环境风险。更棘手的是，现有系统难以兼顾高效去除与资源回收——这就像试图用漏勺同时打捞汤里的香料和油脂。

针对这一难题，中国科学院的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表突破性成果。他们巧妙地将单原子催化剂(Single-Atom Catalysts, SACs)与纳米多孔膜技术结合，开发出具有"分子捕手"特性的电化学膜反应器。这项研究通过三个关键技术路径实现突破：1）采用1,10-邻菲罗啉配体法制备氮配位铁单原子催化剂(Fe₁/NCB_d)；2）构建碳纳米管交织框架的纳米多孔电滤膜(CNT-FEM)；3）结合计算流体动力学(CFD)和密度泛函理论(DFT)模拟揭示限域空间强化机制。

Fabrication and characterization of Fe₁/NCB_d@CNT-FEM
研究团队通过拉曼光谱和X射线吸收精细结构(EXAFS)证实，Fe₁/NCB_d催化剂中铁原子以Fe-N₄配位形式存在，HAADF-STEM图像清晰显示原子级分散的铁位点。将催化剂涂覆在平均孔径19.3 nm的CNT膜上，水接触角降至31.0°，较纯CNT膜提升50%亲水性。

Electrochemical nitrate reduction performance
在处理100 mg N/L硝酸盐溶液时，该膜在6.4 mA/cm²电流密度下实现86.1%去除率和86.4%法拉第效率，氨转化频率达60.1 mol NH₃ mol Fe^-1 h^-1。流动模式对比实验显示，传统流通模式去除率不足20%，证实纳米孔限域效应的关键作用。

Mechanism of Fe₁ activity intensification
CFD模拟揭示纳米孔内流速显著增强，MD模拟显示20?孔径中硝酸根近表面分布比例达56.8%。DFT计算表明氮缺陷使Fe-N₄位点d带中心上移，硝酸盐吸附能达-1.22 eV，*ONH路径能垒仅0.25 eV，有效抑制N₂副产物生成。

Operation under near-realistic conditions
在模拟苦咸水条件下性能保持稳定，12小时连续运行铁流失率<0.4%。通过双膜串联可实现250 mg N/L硝酸盐98.5%去除，残余浓度<15 mg N/L。

这项研究开创性地将单原子催化与膜分离技术耦合，其意义远超单纯的技术参数突破：首先，60.1 mol NH₃ mol Fe^-1 h^-1的转化频率重新定义了电化学合成氨的效率基准；其次，纳米孔限域效应为破解低浓度污染物传质瓶颈提供了普适性策略；更重要的是，模块化设计使该系统特别适合分布式水处理应用，为实现"水-能-肥"联产提供了全新范式。正如作者指出，这种电滤膜系统可直接用于 fertigation（肥水灌溉），或将回收的氨通过气提膜分离制备碳中和燃料，展现出从环境治理迈向资源循环的跨越式发展路径。