双壳层介孔碳球负载双单原子位点实现高效选择性电催化硝酸盐还原为氮气

研究人员针对硝酸盐(NO3-)污染治理中N2选择性低的难题，开发了具有"质子栅栏"效应的FeNC@MgNC-DMCS双单原子催化剂。该催化剂通过外层的Mg-N4位点调控H*分布，内层Fe-N4位点促进N-N耦合，实现了92.8%的NO3-去除率和95.2%的N2选择性，为废水处理提供了新策略。

　　

硝酸盐污染是当前水环境治理面临的重大挑战。传统处理方法往往将硝酸盐转化为氨氮(NH₃)，但氨氮的环境风险反而高于硝酸盐，且后续处理成本高昂。电催化还原(ECDN)虽能直接将硝酸盐转化为无害氮气(N₂)，但N-N耦合动力学缓慢，大多数催化剂更倾向于生成氨氮。这一技术瓶颈严重制约了电催化技术在废水处理领域的实际应用。

针对这一难题，国内某研究机构的研究人员创新性地设计了一种具有双壳层结构的介孔碳球催化剂(FeNC@MgNC-DMCS)，通过精确调控质子传递路径，成功实现了硝酸盐的高选择性还原。相关研究成果发表在《Eco-Environment》杂志上，为环境污染物治理提供了新思路。

研究人员采用连续模块化组装和热解法构建催化剂，主要技术方法包括：双壳层介孔碳球的模板法合成、单原子位点的浸渍-热解负载、X射线吸收光谱(XAS)表征原子配位环境、差分电化学质谱(DEMS)原位监测反应路径，以及流动电解池评估实际废水处理性能。

3.1 合成与表征部分显示，该催化剂具有独特的"核壳"结构：内层为Fe-N₄活性位点，负责N-N耦合；外层为Mg-N₄位点，形成中等碱度的"质子栅栏"。高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)证实了单原子的均匀分散，X射线光电子能谱(XPS)和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析表明Fe与4个N原子配位。

3.2 电催化性能测试表明，优化后的FeNC@MgNC(0.2)-DMCS在-1.3 V vs.SCE电位下表现最佳，NO₃^-去除率92.8%，N₂选择性95.2%，显著优于单壳层FeNC-MCS(27.5%)。原位红外光谱发现，该催化剂避免了*NH₂OH中间体的生成，而这是氨氮形成的关键步骤。

3.3 机理研究发现，外层Mg-N₄位点通过CO₂-TPD证实具有中等碱度，能有效捕获质子。电子顺磁共振(EPR)显示DMPO-H信号消失，证实了"质子栅栏"效应。DEMS检测到m/z28(N₂)的强信号，而m/z17(NH₃)无响应，验证了高选择性。

3.4 实际应用测试中，流动电解池连续运行250小时后，催化剂仍保持90%以上的NO₃^-去除率和93%的N₂选择性。电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)检测显示Fe³⁺和Mg²⁺浸出量远低于WHO标准，证实了催化剂的稳定性。

这项研究开创性地将固体碱概念引入单原子催化剂设计，通过空间分离的双活性位点协同作用，解决了电催化硝酸盐还原中选择性控制的难题。其创新点在于：首次提出"质子栅栏"策略调控局部反应微环境；开发了可规模化的双壳层催化剂合成方法；在实际废水处理中展现出优异的稳定性和环境友好性。该工作不仅为硝酸盐污染治理提供了高效解决方案，也为多相催化剂设计提供了新范式，对推动电催化技术在环境修复中的应用具有重要意义。