Cu2O/Cu纳米棒与BDD电极耦合实现硝酸盐高效转化氨及同步降解环丙沙星的研究

针对中性条件下硝酸盐(NO3-)电催化还原效率低及有机污染物共存难题，研究人员开发了Cu2O/Cu纳米棒阴极与硼掺杂金刚石(BDD)阳极耦合系统，实现454.1 μmol h-1 cm-2的NH3产率（法拉第效率96.8%）和310.2 μmol h-1 cm-2的过硫酸盐产量，同步降解环丙沙星(CIP)，为废水氮资源回收与有机污染物协同处理提供新策略。

　　

氮肥滥用和污水排放导致的地表水硝酸盐(NO₃^-)污染正严重威胁生态系统，而传统处理技术难以实现资源化转化。更棘手的是，抗生素如环丙沙星(CIP)的共存使污染治理雪上加霜。现有电催化硝酸盐还原(NO₃RR)技术面临两大瓶颈：中性环境转化效率低下，以及析氢反应(HER)竞争导致氨(NH₃)选择性不足。与此同时，阳极反应的能量浪费问题长期被忽视。

南开大学的研究团队创新性地提出"阴极硝酸盐制氨-阳极过硫酸盐降污"的耦合策略。他们通过电沉积法在铜泡沫(CF)上构建Cu₂O/Cu纳米棒阴极，结合硼掺杂金刚石(BDD)阳极，在《Journal of Hazardous Materials》发表了这项突破性研究。该系统在中性条件下实现NH₃产率454.1 μmol h^-1 cm^-2，法拉第效率(FE)达96.8%，同时阳极产生310.2 μmol h^-1 cm^-2过硫酸盐(PDS)，使CIP降解效率提升18.2%。

关键技术方法

1. 电沉积-电还原法制备Cu₂O/Cu纳米棒阴极
2. 扫描电镜(SEM)/透射电镜(TEM)表征催化剂形貌
3. X射线光电子能谱(XPS)分析Cu价态
4. 电化学阻抗谱(EIS)评估电荷转移能力
5. 密度泛函理论(DFT)计算电子密度分布
6. BDD阳极自由基捕获实验验证SO₄^•-和•OH作用

研究结果

催化剂表征
TEM显示电沉积获得的Cu₂O/Cu呈400 nm纳米棒结构(图1b)，XPS证实Cu⁰/Cu^I共存。原位拉曼光谱捕捉到Cu₂O向Cu的转化过程，解释了催化活性提升机制。

电化学性能
在-0.9 V vs. RHE条件下，Cu₂O/Cu的NH₃产率是纯Cu的2.3倍。DFT计算表明Cu位点高电子密度既抑制HER，又促进H₂O解离提供质子，使NO₃^-→NH₃路径能垒降低1.2 eV。

耦合系统验证
BDD阳极在Na₂SO₄电解液中产生SO₄^•-/•OH自由基，24小时连续运行保持110 mA cm^-2电流密度，CIP去除率达91.7%。EPR测试直接检测到特征自由基信号。

结论与意义
该研究通过精准设计Cu₂O/Cu电子结构，突破中性条件下NO₃RR效率限制，首创"硝酸盐资源化-有机污染物降解"协同处理新模式。环境评估显示，每处理1吨含NO₃^-废水可回收价值12.6美元的NH₃，同时节省42%能耗。这种"以废治废"策略为复杂污染体系治理提供普适性方案，兼具环境效益与经济价值。