Загрязнение воды нитратами угрожает экосистемам и здоровью человека. Однако эффективное удаление нитратов без образования вредных побочных продуктов остаётся сложной задачей.
В новом исследовании сообщается о создании двойного одноатомного катализатора на основе двуслойных мезопористых углеродных сфер, который обеспечивает высокую активность и селективность.
Проблема загрязнения нитратами
Избыточный уровень нитратов в грунтовых водах и сточных водах часто возникает из-за сельского хозяйства, сточных вод и промышленных выбросов. Это приводит к эвтрофикации, экологическому дисбалансу и рискам для здоровья, таким как метгемоглобинемия.
Традиционные методы очистки, включая биологическую денитрификацию, мембранную сепарацию и адсорбцию, страдают от высоких затрат, энергоёмкости или вторичного загрязнения.
Электрокаталитическая денитрификация
Электрокаталитическая денитрификация стала привлекательной альтернативой, напрямую преобразуя нитраты в аммиак или газообразный азот. Однако большинство катализаторов способствуют образованию аммиака из-за более лёгких путей гидрирования, что вызывает проблемы токсичности и затрат на восстановление.
Поэтому существует острая необходимость в разработке катализаторов, которые селективно преобразуют нитраты в безвредный газообразный азот, обеспечивая устойчивую очистку воды.
Инновационный катализатор
Исследователи из Университета Цзяннань разработали новый двойной одноатомный катализатор, который селективно преобразует нитраты в газообразный азот с исключительной эффективностью.
В исследовании, опубликованном в Eco-Environment & Health, показано, как двуслойные мезопористые углеродные сферы, содержащие атомные сайты железа и магния, обеспечивают практически полное удаление нитратов, избегая при этом образования вредного аммиака.
Катализатор показал замечательную стабильность при длительной работе в проточном режиме, что подчёркивает его потенциал для развития устойчивых технологий очистки сточных вод.
Принцип работы катализатора
Команда разработала катализатор FeNC@MgNC-DMCS, используя последовательную модульную сборку и стратегию пиролиза, создав двуслойные мезопористые углеродные сферы с пространственно разделёнными атомными сайтами.
Внутренняя оболочка содержит сайты Fe–N4, которые ускоряют связывание азота, а внешняя оболочка Mg–N4 создаёт умеренную основность, действуя как «протонный забор» для регулирования распределения водорода. Эта архитектура сводит к минимуму конкурирующее гидрирование, которое в противном случае привело бы к образованию аммиака.
Лабораторные испытания показали, что оптимизированный катализатор обеспечивает удаление нитратов на 92,8% с селективностью по азоту 95,2%, значительно превосходя контрольные образцы с одинарной оболочкой или одиночным металлом.
Профессор Хуа Цзоу, соавтор исследования, сказал: «Эта работа иллюстрирует, как тщательная атомная инженерия может фундаментально изменить пути реакций в электрокатализе. Внедряя магниевый «протонный забор» вокруг железных каталитических центров, мы эффективно предотвратили побочные реакции, приводящие к образованию аммиака. В результате был создан катализатор, который не только обеспечивает высокую активность, но и беспрецедентную селективность по азоту».
Разработка катализаторов FeNC@MgNC-DMCS открывает новые возможности для технологий очистки воды. Благодаря высокой эффективности удаления нитратов, отличной селективности по азоту и долгосрочной долговечности система особенно подходит для очистки сточных вод в условиях сельского хозяйства и промышленности, где загрязнение нитратами является серьёзной проблемой.