近年来，硝态氮(NO3--N)污染是引起水质下降的重要因素，迄今为止，去除硝酸盐的技术主要包括物理化学法(电渗析法、反渗透法、离子交换法)、化学还原法(电化学还原法)、光化学还原法以及应用最广泛的生物脱硝法。其中，电化学还原法作为一种新兴的受损水域修复方法因其高效、低能耗、无剩余污泥等优点引起广泛关注。尽管以Pd和Pt为主的贵金属催化剂在电化学硝酸盐还原(ENR)过程中具有良好的电活性，但其低储量和高成本的特点限制了它们在废水处理中的实际应用。
因此，当务之急是探索在硝酸盐电还原过程中能达到与贵金属催化剂相同效率的非贵金属型催化剂。研究表明，过渡金属(TMs)铜(Cu)和铜基双金属催化剂能够促进电子转移，具有良好电化学还原NO3-性能。铁(Fe)因其反应活性高、成本低已被广泛应用于ENR过程和对铜基催化剂的改性中。
最近，燕山大学的宋来洲教授及其团队以去除水溶液中低浓度硝酸盐为目的，制备了FeCu/CC和rGO/Fe1Cu15/CC双金属催化剂以提高ENR的效率，其中Fe1Cu15/CC作为催化电极时的NO3-去除率和N2生成选择性分别为92.2%和23.7%，rGO/Fe1Cu15/CC作为催化电极时的NO3-去除率和N2生成选择性分别为94.2%和72.8%，所制备的rGO/Fe1Cu15/CC催化电极具有良好的稳定性，在连续测试120h后，NO3-的还原效率仍能保持在80%以上。并且对模拟废水进行电化学脱硝的结果(TN最后浓度为1.17mg/L)证明rGO/Fe1Cu15/CC具有实用可行性。
研究人员以硫酸亚铁和硫酸铜为原料(FeSO4·7H2O和CuSO4·5H2O)。在硼氢化钠(NaBH4)的还原下，得到FeCu/CC；接着将还原氧化石墨(rGO)通过高温烧结锚定在Fe1Cu15/CC上得到rGO/Fe1Cu15/CC。其团队综合使用CV、LSV和EIS技术测试了催化电极的电化学特性，使用SEM、XRD和XPS等表征技术分析了催化电极的物理特性。
基于实验结果，该团队提出了FeCu/CC和rGO/Fe1Cu15/CC硝酸盐的电还原途径。在阴极，NO3-首先被吸附到该催化剂电极的表面，然后被铁和铜纳米颗粒还原成为NO2-。当Fe1Cu15/CC为催化剂时，NO2-的主要产物是NH4+；当rGO/Fe1Cu15/CC为催化剂时，NO2-更倾向于转化为N2O然后进一步形成N2。除了帮助还原NO3-，电解过程中生成的活性氢(H*)还可以结合生成H2，从而为铁和铜纳米粒子提供保护气氛，防止它们被氧化。综上所述，该工作制备的rGO/Fe1Cu15/CC催化剂能够高效长期地去除水溶液中的NO3-，为处置低浓度NO3-废水提供了新思路。
论文信息
Fabrication of FeCu/CC Composite for Efficient Removal of Nitrate for Aqueous Solution Via Electrochemical Reduction Process
Weiman Li, Qingbo Yin, Cuicui Liu, Shuqin Yang, Dongyu Jin, Xiuli Wang, Laizhou Song
ChemCatChem
DOI: 10.1002/cctc.202401017
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