科研人員提出廢水處理和低碳能源生產新途徑

近日，哈爾冰工業大學深圳校區理學院教授何思斯團隊和副教授周佳團隊在硝酸鹽電催化轉化領域取得新進展，相關成果發表于《自然—通訊》。研究人員設計了一種廢水中利用及高效轉化硝酸鹽為氨的高效電催化劑，有望為廢水處理和低碳能源生產提供新途徑。

電催化硝酸鹽還原制氨（NRA）被認為是低成本可持續的氨能獲取方式，它能將廢水中的硝酸鹽轉換為清潔能源氨的技術路線，既減少了環境污染，也為可持續氨生產節約了能源。

然而，氮基肥料和生活污水排放產生的受污染的地下水中的硝酸鹽源主要以低濃度為主，目前大多數已報道的催化劑在高濃度硝酸鹽還原下進行測試，表現出了高法拉第效率和氨收率。因此，低濃度硝酸鹽高效電還原仍然是學術界面臨的主要挑戰。

為提高NRA反應的催化性能，研究團隊提出了一種梯度濃度結構設計合成的鈷基催化劑來優化NRA過程的策略。這種梯度結構的釕鈷電催化劑在典型工業廢水的低硝酸鹽濃度下表現出超高的NRA催化性能，即超過93%的氨氣生產法拉第效率和每平方厘米1安培的工業級氨氣電流密度，同時穩定工作時長可達720小時。

科研人員結合原位譜學表征和理論計算，揭示了該催化劑的NRA反應機理。組裝的膜電極器件可以在高電流密度下穩定工作超過100小時，證實了該NRA催化劑的實際工業潛力。

此外，研究團隊還通過陽離子交換法，實現了在鈷基電催化劑的表面到內部釕梯度濃度降低的結構，這種摻雜策略減少了貴金屬釕的摻雜，又保證了主體的鈷晶體結構，同時使催化劑的表面有足夠的釕為后續反應提供足夠多的活性氫。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50670-w