用于高效稳定地将低浓度硝酸盐还原为氨的分级多孔 Cu/NGO 透流电极

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hierarchically porous Cu/NGO flow-through electrode for efficient and stable low-concentration nitrate reduction to ammonia

　　

摘要

电催化硝酸盐还原为氨（ENRA）策略可被视为硝酸盐消除和氨再生的潜在手段。然而，由于低硝酸盐浓度下的严重传质限制，以及天然水源中通常存在共存离子的事实，该技术难以应用于环境相关的水质基质中。为了克服上述问题，采用协同催化剂 - 反应器设计方法，将分级多孔 Cu/NGO 膜电极与流通式电化学反应器相结合。氮掺杂氧化石墨烯框架提供了具有众多可访问活性界面的导电多孔支架，而树枝状 Cu 物种提供了还原硝酸盐的极活性位点。由于分级多孔结构与流通作用的结合，电解质的渗透和对流传输大大增加，实现了约 9.45 μm 的超薄扩散边界层厚度，并在低浓度系统中有效利用了反应物。因此，在中性条件下，50 mg/L NO₃^--N 时，Cu/NGO 膜电极系统的总硝酸盐去除效率为 97.21%，NH₃ 产率为 1420 μg h^-1 cm^-2，法拉第效率_NH3为 91.66%。系统地研究了常见的共存离子，发现集成系统在存在 HCO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺ 和 SO₄^2- 的情况下表现出显著的硝酸盐去除性能，当存在 Cl^- 和磷酸盐物种时注意到轻微的抑制，在复杂水质基质中应用时具有高抗干扰能力。此外，Cu-N 界面配位很强，使 Cu 物种与 NGO 框架之间紧密的电子相互作用，使其能够有效还原硝酸盐，即使在重复操作后也能保持氨选择性。它还在广泛的 pH 范围内有效地将硝酸盐转化为氨，并在真实河水的连续流处理中表现良好。本工作提供了一种成功的催化剂 - 反应器协同设计方案，能够解决实际低浓度 ENRA 应用中的传质和水质基质问题。

章节摘要

引言

氮肥的过度使用、工业排放和农业径流导致硝酸盐污染成为全球关注的环境问题 [1]。水体中高水平的硝酸盐不仅危及水生生态系统，也危及人类健康 [2]。ENRA 已被确定为一种在环境条件下同时去除硝酸盐污染物和回收有价值氨的潜在过程 [3]。由于其良好的热力学和

所用材料

本研究中使用的所有试剂均为分析纯，可直接使用，无需额外制备。详细信息可见支撑信息中的 Text S1。Cu 负载量通过电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）根据电沉积前后电解液中 Cu 浓度的差异确定（详见 Text S3），约为 2 mg cm^-2。考虑到 NGO 负载量（~0.5 mg cm^-2），总

Cu/NGO 的合成与表征

电极 Cu/NGO 通过一步恒电位电沉积法合成。在合成过程中，仔细调整了电解液中 CuSO₄ 浓度等参数（图 S1, S2）。因此，在含有 17.5 mM CuSO₄ 和 25 mM H₂SO₄ 的混合溶液中进行 10 分钟的恒电位电沉积，从而形成高效催化材料。为了获得关于架构和组成的更详细信息

结论

本研究成功开发了一种 3D Cu/NGO 自支撑膜电极，配合流通式电化学反应器，在实际低浓度条件下通过电催化有效将硝酸盐还原为氨。树枝状 Cu/NGO 结构显示出增加的表面积、分级孔隙率和广泛的电化学活性界面，所有这些都有助于硝酸盐的吸附和催化转化。

CRediT 作者贡献声明

赵春： 构思。倪冰： 方法学。黄师瑶： 形式分析。张滨山： 软件。史雷： 资源。周安然： 写作 – 初稿。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

周安然 | 张滨山 | 史雷 | 倪冰 | 黄师瑶 | 赵春

教育部三峡库区生态环境重点实验室，重庆大学，重庆，400045，中国