Small:净水有方—— 树突细胞启发设计高效硝酸根还原电催化剂

农业化肥的过度使用,工业污水的大量排放,使得水体中的硝酸根过度积累,对自然环境和人类健康造成了极大的威胁。并且由于硝酸根在水体中近乎无限的溶解性及高稳定性的特点,仅仅依赖自身修复净化非常缓慢且困难,如何高效彻底地去除水体中硝酸根成为环境领域研究的热点和重点。新型电催化工艺是一种绿色高效的硝酸根还原技术,反应过程中不引入化学试剂且不会产生二次污染,电催化过程中阴极产生的氢气加速了硝酸根和纳米催化剂表面之间的传质效率,大幅提高了硝酸根的去除效率和目标产物氮气的选择性,是一种极具前景的水处理技术。相较于单金属催化剂(如Cu、Au、Pt和Fe),双金属催化剂(如CuPd、CuPt和FePd)展现出更高的硝酸根还原活性和氮气选择性。在双金属催化剂中,CuPd基催化剂表现出优异的催化活性和氮气选择性,这是由于Pd对氢具有强烈的吸附和活化作用,而Cu通过与Pd之间的d带空位利用配位效应和压缩应变效应促进Pd催化硝酸根还原的活性。然而,由于常用的活性碳负载的催化剂中的纳米颗粒容易在电解液中发生金属析出、氧化和团聚导致催化剂的活性和稳定性变差,这些缺点限制了CuPd基催化剂在水体中硝酸根去除领域的大规模应用。

为了解决上述问题,需要设计新的合成路径来提高CuPd纳米颗粒在电催化剂中的分散性和稳定性,以获得高的电催化硝酸根还原活性和循环耐用性。受动物体内神经系统的基本单元-树突细胞的影响,东华大学材料学院杨建平课题组设计了一种简单的树突细胞状碳基构架作为CuPd合金负载的载体催化剂,并对其结构和电催化性能进行了详细的阐述。通过表面活性剂自组装的方法,将铜盐、钯盐、碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)以及介孔碳球(mesoporous carbon spheres, MCS)在水热条件下制备得到了一种铜钯纳米颗粒负载的类树突细胞状结构催化剂(CuPd@dendritic cell-like MCS/CNTs)用于电催化还原硝酸根还原性能评价。

在这种独特的生物启发构筑结构中,CNTs充当树突细胞中的“树突”,一方面将MCS相互连接形成三维互通网络结构,另一方面为催化过程的电子转移及传质提供了更多的通道,提高了催化效率。在被用作硝酸根还原电催化剂时,在反应浓度为100 mg/L的中性介质中,其对硝酸根的转化率和对氮气的选择性均达到95 %以上,已符合我国居民饮用水中的硝酸根含量标准(低于10 mg/L),并且硝酸根去除能力更可达到22500 mg N g-1CuPd,约为同比质量的铁基催化剂的12倍。在超低浓度的硝酸根(10 mg/L)还原测试中,可实现硝酸根的完全转化,并且产物为氮气。研究者认为,这种生物仿生制备三维碳基网络结构可以拓展到电催化剂载体的设计和制备中,表现出极大的应用潜力。相关成果在线发表在Small (2020, DOI: 10.1002/smll.202001775)上。