稳定化缺电子Cu^(δ+)活性点位电催化还原水体硝氮

摘要

电催化还原水体硝氮(electrocatalytic nitrate reduction reaction,ENRR)是极具应用潜力的绿色脱氮技术.铜基催化剂因活性高而受研究者青睐,缺电子Cu^(δ+)是其中主要活性位,但在ENRR较负工作电压下难稳定(转化为Cu^(0)).本文以市售Cu(OH)_(2)颗粒为前驱体,通过在其表面修饰1,4-萘二甲酸分子(1,4-NDC)并原位电还原活化,成功构建Cu^(δ+)-1,4-NDC催化活性点位(Cu(OH)_(2)/1,4-NDC-AT);因1,4-NDC羧基上氧的高电负性和化学稳定性,Cu^(δ+)在ENRR过程中能稳定存在.脱氮性能测试结果表明,Cu(OH)_(2)/1,4-NDC-AT在-0.40 V vs.RHE(可逆氢电极)下处理NO_(3)^(-)-N废水(22.5 mg/L),产物中NH_(3)-N选择性大于90%,比表面活性和质量活性可达1034.7 mg N/(h m^(2))和89.1 mg N/(h g_(Cu)),是相应Cu(OH)_(2)-AT的2.3和5.1倍,亦优于大部分同类催化剂.优化1,4-NDC用量和工作电压可进一步提升质量活性,在n_(1,4-NDC)/n(Cu(OH)_(2))=2.16和-0.50 V时质量活性分别提升至147.1和104.6 mg N/(h g_(Cu)).针对低浓度NO3_(3)^(-)-N废水,本文提出“ENRR+NH_(3)-N吸附去除”耦合技术,彻底消除水中氮物种;针对高浓度NO_(3)^(-)-N废水,提出“ENRR+NH_(3)-N回收”耦合技术,将水中氮以(NH_(4))_(2)SO_(4)形式回收(回收率约98.0%).