bevictor伟德官网2021年9月1日電（通訊員 李淼）bevictor伟德官网李淼副教授課題組在電化學去除地下水硝酸鹽污染方面取得研究進展，利用硫摻雜的單原子Fe電極材料成功實現了水中硝酸鹽污染的高效去除并避免了電極的鈍化，具有良好的應用前景。
我國有近70%的人口飲用地下水，2020年全國10171個監測點中水質超IV類的占比達86.4%，其中範圍最廣、最為普遍的是以硝酸鹽為主要形式的氮污染。劣質地下水問題突出，導緻地下水飲水安全保障面臨巨大壓力。由于人類生存和發展對糧食的需求，以及短期内難以大幅提高以活性氮為主的化肥利用效率問題，農業施肥等引起的地下水硝酸鹽污染已成為環境領域的世界性難題。采用電化學法去除地下水中的硝酸鹽被認為是一種簡便、高效的淨化方法，而開發具有低成本、高活性和穩定性優勢的電極材料是該領域研究的核心。本研究針對Fe、Cu等非貴金屬電極活性差且易鈍化導緻難以實用的瓶頸，創新強化污染物淨化的單原子尺度結構調控理論與方法，通過缺陷碳的穩定固化作用，開發了一種硫、氮共摻雜的碳材料負載的高分散鐵單原子催化劑材料（如圖1所示），并用于地下水中硝酸鹽的電化學去除。與現有技術相比，該技術的處理效率提升3倍以上，電極壽命提高6倍以上。
圖1 單原子催化劑合成示意圖，基底和單原子形貌觀察元素分析結果
該研究通過同步輻射結果分析了金屬Fe原子的價态和配位結構，與其金屬箔片和氧化物配位結構不同，單原子Fe具有不連續的分隔結構位點，無金屬Fe-Fe鍵的形成，具有活性位點高度分散的結構特點和優勢；通過硫摻雜後進一步形成了具有FeN4S2構型的微觀結構，這種高度分散的活性位點，有助于提高金屬Fe的利用率及其對硝酸鹽的電化學還原去除效率，具有78.4%的産氨法拉第效率，同時在氯離子存在條件下硝酸鹽可以完全轉化為無害的氮氣。
圖2 Cu/Fe單原子同步輻射結果和配位結構模型
該研究采用多種實驗分析手段對載體缺陷結構進行了分析，硫的摻雜進一步提高了碳氮載體的缺陷程度，為單原子鐵的負載提供更多的固定位點，且這些缺陷位點的存在也對相鄰金屬活性位點的電子結構和性能産生影響。根據密度泛函理論計算可以深入認識該過程反應機理，分析反應路徑和能量變化。結果表明，硝酸根在單原子位點上逐步發生脫氧加氫的基元反應NO3*→NO2*→NO*→N*→NH*→NH2*→NH3*(或N*→N2)，其中NO3-在Fe單原子上還原中間産物N*的反應方向決定了産物選擇性。此外，研究還發現，金屬活性位點臨近的缺陷結構有助于進一步提高單原子催化劑活性，這對進一步設計和推廣單原子催化劑在其它領域的應用具有一定指導意義。
圖3 反應機理示意圖
該研究成果以《硫氮共摻雜碳材料穩固的原子級分散鐵原子用于高效電化學脫氮研究》（Atomically dispersed Fe atoms anchored on S and N co-doped carbon for efficient electrochemical denitrification）為題發表在《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上。論文第一作者為bevictor伟德官网博士後李佳澄，通訊作者為bevictor伟德官网李淼副教授，bevictor伟德官网劉翔教授等人對實驗研究分析提供了重要指導和幫助。研究項目得到國家自然科學基金面上項目和重點研發計劃的資助。
鍊接：https://doi.org/10.1073/pnas.2105628118
