近期，中科院合肥研究院固体所纳米材料与器件技术研究部孟国文研究员课题组在电催化去除水中硝酸盐研究方面取得新进展，相关研究结果以“Efficient electrocatalytic reduction of nitrate to nitrogen gas by a cubic Cu2O film with predominant (111) orientation”为题发表在Chemical Communications (Chem. Commun., 58, 22, 3613-36136(2022))期刊上。
由于工农业快速发展，水体硝酸盐污染问题在全球范围普遍存在，这容易导致水体富营养化，产生水华等生态环境问题，威胁水质安全，对自然生态环境和公众健康造成巨大威胁，严重影响经济社会可持续发展。因此，发展高效去除水中硝酸盐方法和技术具有重要意义。其中，电催化还原方法可以将硝酸盐(NO3-)选择性转化为铵(NH4+)或氮气(N2)，具有效率高、容易操作、不产生污泥、投资成本较低等优点。特别是将硝酸盐电催化还原为无毒的氮气，能有效降低水体中总氮浓度，具有广泛的应用前景。虽然目前已报道的材料均对产氨/铵具有较高的选择性和效率，在工业固氮领域具有应用潜力，但并不适用于湖泊河流等实际水环境中的降氮除氮。
鉴于此，研究人员探索了进一步提高电催化还原硝酸盐为氮气的选择性的方法，通过电化学沉积，在多孔泡沫铜材料表面沉积了以（111）晶面择优取向的Cu2O薄膜(Cu2O@CF)，用作电催化还原硝酸盐的阴极，发现其催化还原硝酸盐为氮气的性能有显著提高，在碱性溶液中，硝酸盐的去除率为93%，对N2的选择性为99%；在中性溶液中，硝酸盐去除率为94.3%，对N2的选择性为49.2%。为了验证实际水体中含有的其他阴阳离子对性能的干扰，以添加电解质的董铺水库湖水为基质，研究了其电催化性能，获得了硝酸盐去除率为91.1%，对N2的选择性为64.2%。
该研究工作中的阴极材料制备工艺简单，可以实现对氮气的较高选择性，展现了Cu2O在电催化还原硝酸盐为氮气的应用潜力，为进一步设计稳定高效的电催化材料，实现水中降氮除氮等水生态环境治理和保护提供参考。
上述工作得到了国家自然科学基金、安徽省科技重大专项等项目的支持。
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cc/d1cc07299d#!。
图1. 制备得到的Cu2O@CF的(a-b) SEM，(c) XRD，(d) HRTEM表征结果。
图2. (a) NO3--N、NO2--N和NH4+-N的浓度随时间变化；(b) N2 选择性和硝酸盐去除效率（反应条件：40 mg L-1 NO3-， 0.05 M K2SO4，pH = 11，施加电位-1.4 V (vs. Ag/AgCl)）。
图3. 在添加电解质的实际水体中(a) NO3--N、NO2--N和NH4+-N的浓度随时间变化；(b) N2 选择性和硝酸盐去除效率（反应条件：40 mg L-1 NO3-，0.05 M K2SO4，施加电位-1.4 V (vs. Ag/AgCl)）。
