专栏名称: 环境人Environmentor

热爱我环境，光大我事业！

浙大吴轩浩/清华王潇雄/耶鲁Jae-Hong KimNature子刊：锡双原子负载双层式电催化膜实现低浓度硝酸盐近完全转化为氮气

环境人Environmentor · 公众号 · · 2025-02-05 12:20

正文

点击上方蓝字关注我们

第一作者：吴轩浩，浙江大学

通讯作者：王潇雄， Jae-Hong Kim

通讯单位：清华大学，耶鲁大学

论文 DOI ： https://doi.org/10.1038/s41467-025-56102-7

图文摘要

图 1 ：催化剂与电催化膜设计示意图。左图：传统单原子催化剂（ SACs ）因位点孤立， *N 中间体难以耦合，倾向生成 NH ₃ 。右图： Sn 双原子催化剂通过相邻位点促进 *N-N 耦合，结合电催化膜强化传质，推动 NO ₃⁻ → N ₂ 的高效转化。

成果简介

近日，浙江大学环境与资源学院吴轩浩、清华大学深圳国际研究生院王潇雄、美国耶鲁大学 Jae-Hong Kim 团队联合在国际权威期刊《 Nature Communications 》发表了题为 “Bilayer electrified-membrane with pair-atom tin catalysts for near-complete conversion of low concentration nitrate to dinitrogen” 的研究文章。本研究开发了一种新型双层电催化膜系统，通过负载锡（ Sn ）双原子催化剂，实现了极低浓度硝酸盐（ 10 mg-N L ⁻ ¹）单程电过滤过程高效转化为氮气脱除。该设计通过双原子位点促进含 N 中间体耦合，结合电催化膜的传质强化作用，显著提升了 N ₂ 选择性（ ~100% ），并利用阳极层原位生成的活性氯氧化残余氨（ <1 mg-N L ⁻ ¹）为 N ₂ ，最终实现硝酸盐的完全去除。研究突破了传统单原子催化剂（ SACs ）在硝酸盐电催化还原中实现高 N ₂ 选择性的瓶颈，为低浓度硝酸盐污染治理提供了高效、可持续的解决方案。

引言

硝酸盐污染是水体富营养化和有害藻类爆发的关键诱因，即使极低的浓度（ 1 mg-N L ⁻ ¹）也会对生态系统造成破坏。现有电催化硝酸盐还原（ NO ₃ RR ）技术多聚焦于将硝酸盐转化为氨（ NH ₃ ）进行资源回收，但氨的分离成本高，且泄露的氨对水体的毒性相较于硝酸盐更强。对于低浓度硝酸盐废水，开发其高选择性生成 N ₂ 更具经济和环境价值，应用前景高。传统 NO ₃ RR 催化剂依赖贵金属，成本高昂。单原子催化剂（ SACs ）虽具备成本优势，但因活性位点相对孤立，难以促进相邻反应位点的 N 中间体耦合，导致 N ₂ 选择性受限。本研究旨在通过设计锡双原子催化剂，结合双层电催化膜反应系统，解决低浓度硝酸盐高效转化和 N ₂ 选择性提升的难题，为实际水处理提供新思路。

传统孤立的单原子位点导致含 N 中间体（如 *NO 、 *NH 、 *N ）无法有效耦合，反应倾向于生成 NH ₃ 。相邻 Sn 原子通过协同作用吸附 NO ₃⁻ ，促进 *N 中间体的 N-N 耦合，显著提升了 N ₂ 选择性。同时，电催化膜纳米孔道内的高效传质确保反应物与催化剂充分接触，克服传统电极的传质限制。该设计突破了孤立单原子位点的局限性，为高选择性 N ₂ 生成提供了理论依据和工程化解决方案。

图文导读

图 2 ： Sn 双原子催化剂的合成与表征。（ a ）合成流程：通过配体介导法在碳黑上负载 Sn 双原子。（ b-c ） AC HAADF-STEM 显示 Sn ₂ /NCB 上的 Sn 双原子与 Sn ₁ /NCB 上的 Sn 单原子。（ d ） Sn ₂ /NCB 的 TEM EDS mapping 。（ e-g ）统计分析验证双原子位点的均匀分布。

采用配体介导法（ 1,10- 菲啰啉络合 Sn ⁴ ⁺ ），通过高温热解在氮掺杂碳黑（ NCB ）上负载 Sn 双原子。 5 wt% Sn 负载下， Sn 原子以双原子对形式存在（图 2b ），而 1 wt% 负载时则以孤立单原子为主（图 2c ），证实通过调控 Sn 负载量可控制原子间距。 Sn 均匀分布于 NCB 表面（图 2d ），双原子间距统计为 4.8 ± 0.7 Å （图 2e-g ），验证了双原子位点的精准构筑。双原子结构通过相邻 Sn 位点的协同效应增强催化活性，为后续性能优化奠定基础。

图 3 ： Sn 双原子同步辐射表征。（ a-c ） XANES 分析价态。（ d-i ） EXAFS 分析配位环境。

Sn 双原子的吸收边能量介于 Sn 箔（金属态）和 Sn(IV) 酞菁（高价态）之间，其氧化态约为 +2.8 （图 3c ），低于孤立单原子 Sn （ +3.6 ），说明双原子间存在电子相互作用。 Sn-N 配位数为 4.1 ，形成 Sn-N ₄ 结构（图 3e ），且无 Sn-Sn 键，排除了纳米颗粒存在的可能性。小波变换显示 Sn 双原子与单原子的配位环境差异，进一步支持双原子协同效应。 Sn 双原子的独特电子结构增强了 NO ₃⁻ 吸附和电荷转移，是高效催化反应的关键。

图 4 ： NO ₃ RR 性能与反应机制。（ a-c ）电化学性能测试。（ d-e ）原位红外光谱对比双原子与单原子体系反应中间体种类。（ f-j ） DFT 计算对比双原子与单原子体系反应能垒。

首先在 batch 体系的活性测试中， Sn 双原子催化剂在 -1.2 V vs. RHE 时， NO ₃⁻ 转化速率达 401.6 mg-N h ⁻ ¹ m ⁻ ² ， N ₂ 选择性 86% （图 4b ），显著优于单原子 Sn （ 50% ）和其他对照材料。 Sn 双原子抑制了 NH ₃ 生成路径（原位红外 1460 cm ⁻ ¹ 峰减弱），并增强 N ₂ 特征峰（ 1030 cm ⁻ ¹ ），直接验证了 N-N 耦合优势。相较于长距离单原子位点，双原子位点降低了 *NO 与 *H 扩散重组形成 *NOH 路径的能垒，以及 *N 扩散与重组形成 *N ₂ 的能垒，解释了选择性差异。双原子设计通过促进 *N 中间体耦合和降低反应能垒，实现高效 N ₂ 生成。

图 5 ：双层电催化膜的结构与特性。（ a ）设计原理。（ b-d ）阴极膜 SEM 。（ e-g ）阳极层特性。（ h ）阴阳极膜孔隙分布、流速、导电性分析。

在电催化膜体系活性测试中，阴极层（ Sn 双原子负载电催化膜）负责 NO ₃⁻ → N ₂ 还原，阳极层（ TiO _2-x 电催化膜）通过 Cl ⁻ 氧化生成活性氯，将残余 NH ₃ 氧化为 N ₂ ，实现“阴极→阳极”协同净化。 Sn 双原子电膜（ Sn ₂ /NCB-EM ）具有均匀的纳米纤维交织结构（图 5c ），平均孔径 24.9 nm （图 5h ），水通量 77 L m ⁻ ² h ⁻ ¹ bar ⁻ ¹ （图 5i ），确保高效传质。 TiO _2-x 电催化膜提升 Cl ⁻ 氧化活性。双层电催化膜通过结构优化与功能集成，突破了单一催化体系的局限性。

图 6 ：电催化膜性能与长期稳定性。（ a ）操作模式对比。（ b ） CFD 模拟。（ e-f ）长期稳定性。

流动过滤模式（ Flow-through ）的 NO ₃⁻ 转化速率（ 546.1 mg-N h ⁻ ¹ m ⁻ ² ）是流动旁路模式（ Flow-by ）的 3 倍， N ₂ 选择性达 97.7% （含 Cl ⁻ 时）。 CFD 模拟显示，流动过滤通过纳米纤维框架增强局部流速（图 6b ₁ ），使 NO ₃⁻ 浓度在极短流道内快速下降（图 6b ₃ ），证实传质强化机制。连续运行 9 小时后， NO ₃⁻ 去除率保持 96% ， Sn 双原子结构无团聚（ EXAFS 图 6f ），展现优异稳定性。该电膜系统在低浓度（ 10 mg-N L ⁻ ¹ ）和市政污水浓度（ 50 mg-N L ⁻ ¹ ）下均表现卓越，具备工程化应用前景。

‘’

小结

本研究通过双原子催化剂设计与电催化膜系统集成，实现了极低浓度硝酸盐的高效、选择性转化为氮气脱除。核心创新点包括：（ 1 ）创新催化剂设计：提出了双原子锡催化剂构建思路，通过相邻 Sn 位点促进含 N 中间体的耦合，显著提升 N ₂ 选择性（ 86% vs. 单原子 Sn 的 50% ）。（ 2 ）电催化膜强化传质：将催化剂负载于电催化膜纳米孔道中，通过流动过滤增强传质效率， NO ₃⁻ 转化速率较传统平板电极提升 3 倍（ 546.1 mg-N h ⁻ ¹ m ⁻ ² ）。（ 3 ）近完全 N ₂ 选择性：结合阴极（ Sn ₂ /NCB ）还原与阳极（ TiO _{2-

x} ）氯氧化残余氨的双层电催化膜系统，实现总氮去除率 >99.5% ， N ₂ 选择性 ~100%. （ 4 ）高效稳定性：电催化膜系统在连续运行 9 小时后仍保持 96% 的硝酸盐去除率， Sn 双原子结构稳定无团聚，适用于实际水体处理。该成果不仅推进了电催化硝酸盐还原的机理研究，也为水体低浓度污染物治理开辟了新路径。

‘’

作者简介

第一作者：

吴轩浩，浙江大学环境与资源学院“百人计划”研究员，博士生导师，本科毕业于复旦大学，博士毕业于美国圣路易斯华盛顿大学，于美国耶鲁大学从事博士后研究。主要从事工业含氮废气减污降碳催化治理研究，包括氮氧化物与氧化亚氮治理与资源化。已发表 SCI 论文 48 篇，包括通讯 / 一作论文 22 篇，包括 Chemical Society Reviews 、 Nature Communications 、 Environmental Science & Technology （ 7 篇）、 ACS Catalysis 、 Nano Energy 等， H 因子 20 ，引用数 2000 余次，授权美国国家专利 1 项。主持国家自然科学基金重点项目课题与青年项目、浙江省自然科学基金重点项目。担任浙江省环境科学学会工业废气专委会委员， CleanMat 青年编委， ACS EST Engineering 客座编辑。入选 2024-2026 年度浙江省青年人才托举培养，获 2023 年 ACS EST Engineering 最佳审稿人奖等。参与科技部《碳中和技术发展路线图》编制，以第一执笔作者编写《中国甲烷管控技术发展路线图》。

通讯作者：

王潇雄，国家级青年人才，清华大学深圳国际研究生院特别研究员、博士生导师、海洋工程研究院院长助理、双螺旋中心核心 PI 。本科和博士分别毕业于清华大学化学工程系和环境学院，博士后任职于美国耶鲁大学化学与环境工程系。主要从事电过滤复合微纳场域调控水处理技术研究。已发表 SCI 论文 50 篇，近五年以第一 / 通讯作者在 Nature Nanotechnology 、 Nature Water 、 Nature Communications 、 PNAS 、 Environmental Science & Technology 、 Water Research 等权威期刊发表论文，论文引用 2200 余次， H 因子 23 。作为项目 / 课题负责人承担国家级高层次青年人才项目、国家自然科学基金面上项目、广东省基础与应用基础研究基金重点项目和面上项目、深圳市重点实验室项目等国家级及省部级科研项目。获 IWA 国际水协会首创水星奖等荣誉。

Jae-Hong Kim ，耶鲁大学化学与环境工程系前系主任与 Henry P. Becton Sr. 讲席教授，美国国家水创新联盟 NAWI 能源水淡化中心联合主席。研究方向为环境纳米技术污染控制，在高级氧化水处理技术、上转换纳米混合光催化剂、单原子催化剂水处理应用等领域积累了深厚的研究。已在 Nature Nanotechnology 、 Nature Sustainability 、 Proceedings of the National Academy of Sciences 、 Journal of the American Chemical Society 、 Nature Communications 、 Advanced Materials 、 Energy & Environmental Science 、 Environmental Science & Technology 等重要国际学术期刊发表高质量论文 190 余篇， 2022 年至今 Clarivate 高被引学者，谷歌学术引用量 >24000 余次， H 因子 80 。 2008-2012 年担任 Water Research 副主编， 2015-2020 年担任 Environmental Science & Technology Letters 编委，现为 ACS ES&T Engineering 副主编。曾获得美国土木工程协会的 Walter L. Huber Civil Engineering Research Prize 和水环境研究基金会的 Paul L. Busch Award。

投稿：浙江大学环境与资源学院吴轩浩、清华大学深圳国际研究生院王潇雄、美国耶鲁大学 Jae-Hong Kim 团队。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域 最大的学术公号 ，拥有 20W+活跃读者 。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的 “在看” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。

往期推荐

年度热点文章Top10（2024年）

中科大俞汉青院士、陈洁洁教授、华中科大黄明杰Nat. Commun.：精准定制高价金属氧化物的d带中心实现污染物完全聚合去除

香港城市大学袁志国院士、新南威尔士大学郑敏Nature Sustainability综述：污水资源化前沿路径

Nature：全球塑料垃圾中的“潜行者”

浙大吴轩浩/清华王潇雄/耶鲁Jae-Hong KimNature子刊：锡双原子负载双层式电催化膜实现低浓度硝酸盐近完全转化为氮气

正文

请到「今天看啥」查看全文