研究背景

硝酸盐（NO₃⁻）废水的高效处理是当前环境科学领域的重要挑战之一。传统处理方法如多效蒸发和生物反硝化不仅能耗高，而且碳排放量大，尤其在处理高浓度（NO₃⁻浓度超过1000 mg-N L⁻¹）废水时，问题更为突出。近年来，电催化硝酸盐还原反应（ENRR）作为一种低碳环保的替代方案受到关注，但直接将NO₃⁻还原为N₂的反应动力学缓慢，且受到析氢反应（HER）的严重竞争，导致法拉第效率较低。此外，间接通过NH₃介导的电化学还原过程能耗过高，限制了其工业化应用。因此，开发一种低碳、高能效的反硝化策略对于高浓度NO₃⁻废水的处理具有重要意义。

研究内容

本研究提出了一种创新的反硝化策略，即耦合电化学短程反硝化（Electrochemical Shortcut Denitrification, ESD）和化学重氮化（Chemical Diazotization, CD），简称ESD-CD。该策略首先利用氧化物衍生的铜泡沫电极（OD-CF）将NO₃⁻电化学还原为NO₂⁻，随后通过化学重氮化反应将NO₂⁻与磺胺（NH₂SO₃⁻）快速转化为N₂。

实验结果表明，ESD-CD在处理高浓度NO₃⁻废水时表现出卓越的性能：

1. 高去除效率：在5000 mg-N L⁻¹的模拟NO₃⁻废水中，ESD-CD实现了98.8%的NO₃⁻去除效率。

2. 高选择性：N₂的选择性达到99.9%，表明几乎所有的氮以N₂形式逸出。

3. 高法拉第效率：N₂的法拉第效率高达95.3%，这意味着在电解过程中，大部分电子被有效利用于反硝化过程，显著抑制了析氢反应。

4. 低能耗：ESD-CD的能耗仅为9.97 kWh kg-N⁻¹，远低于传统方法。

5. 高反硝化速率：反硝化速率达到了前所未有的24.87 g-N m⁻²h⁻¹。

此外，ESD-CD在实际工业废水处理中也表现出色。在处理浓度为3085.2 mg-N L⁻¹的工业NO₃⁻废水时，系统保持了超过96.6%的NO₃⁻去除效率和99.2%的N₂选择性。与生物反硝化和多效蒸发相比，ESD-CD显著降低了运营成本（分别降低了64.4%和74.9%）和二氧化碳排放量（分别降低了79.5%和93.3%）。

工作创新点

1. 耦合策略创新：将电化学短程反硝化与化学重氮化相结合，利用NO₂⁻的高氧化还原潜力，通过化学反应快速生成N₂，避免了复杂的多电子转移过程，显著降低了能耗。

2. 催化剂设计：开发了氧化物衍生的铜泡沫电极（OD-CF），通过热氧化-电化学还原工艺制备，具有丰富的不饱和配位铜位点，增强了对NO₃⁻的吸附能力和电催化活性。

3. 绿色能源驱动：通过光伏驱动的ESD-CD系统，实现了太阳能的高效利用，进一步降低了操作成本和碳排放，展现了该技术在实际应用中的可持续性。

4. 理论计算支持：通过密度泛函理论（DFT）计算，揭示了OD-CF电极在NO₃⁻还原过程中的热力学和动力学优势，为催化剂的设计提供了理论依据。

原文信息

W. Zhang, F. Guo, W. Gong, Di Yang, X. Yin, F. Jia, W. Wei, Y. Yao, L. Zhang, Electrochemical Shortcut Denitrification Coupled with Chemical Diazotization for Low-Carbon Nitrate Wastewater Treatment, Angew. Chem. Int. Ed.. 2025, e16226. https://doi.org/10.1002/anie.202516226

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