水体硝态氮去除与资源化研究取得进展

农业生产中过量氮肥施用导致大量硝酸盐进入地表水和地下水，已成为农业面源污染和水体氮污染的重要来源。过量硝酸盐不仅会引发水体富营养化和生态失衡，也会带来地下水饮用安全风险。如何在去除污染的同时实现活性氮资源回收，是当前农业面源污染治理的重要方向。传统生物脱氮主要将硝酸盐转化为氮气，存在外加碳源需求高、运行条件复杂以及活性氮资源损失等问题。相比之下，电化学硝酸盐还原可直接利用可再生电力，将硝酸盐转化为高附加值氨，为实现低碳脱氮和氮资源循环利用提供了新的技术路径。

围绕这一问题，中国科学院南京土壤研究所王玉军研究员团队开展了硝酸盐电化学资源化研究。针对硝酸根结构稳定、初始吸附和氮氧键活化困难等关键瓶颈，团队通过调控钴位点的局域配位环境和自旋状态，构建高自旋活性中心，显著增强硝酸根的吸附与活化能力，加快硝酸盐向氨的定向转化。该体系在−0.32 V（相比于标准氢电极）下实现约1.1 A·cm⁻²的安培级电流密度，氨产率达到83.64 mg·h⁻¹·cm⁻²，法拉第效率高达97.8%；连续25个循环后仍保持约97.7%的氨选择性和>1 A·cm⁻²反应电流，展现出高负荷硝酸盐处理和资源回收潜力。结合原位拉曼、原位同步辐射X射线吸收谱、原位红外、在线差分电化学质谱和理论计算，研究进一步证实，高自旋位点主要促进硝酸盐还原初始阶段的吸附、电子转移和氮氧键活化，从而加快整体反应动力学。该工作将硝酸盐由传统意义上的“待去除污染物”转化为“可回收活性氮资源”，实现污染控制与绿氨生产的协同，为农业面源污染治理、含硝酸盐废水资源化及低碳氮循环提供了新的思路。

该研究成果发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。2024级博士生蒲帅磊、2024届博士杨强为论文第一作者，王玉军研究员与崔培昕副研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接