江南大学刘国帅、邹华团队EEH：双壳层介孔碳球双单原子位点选择性电催化还原硝酸根为氮气

主要观点总结

本文研究了硝酸盐污染问题，提出一种新型电催化反硝化技术。通过构建双壳介孔碳球负载双金属单原子的电催化剂（FeNC@MgNC-DMCS），实现了高选择性生成氮气。该研究包括催化剂的制备与表征、电催化反硝化性能研究、机制分析以及实际应用测试等关键点。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景

硝酸盐污染作为全球性水环境问题，主要源于农业径流、工业废水及生活污水排放，不仅引发水体富营养化等生态危机，还通过饮用水途径威胁人类健康。

关键观点2: 技术原理

电催化反硝化（ECDN）技术因其反应速率快、环境友好且无二次污染的优势脱颖而出。然而，硝酸盐还原过程中关键中间体*N倾向于通过逐步氢化路径生成毒性更强的氨（NH 3 ），而非理想的无害氮气（N 2 ）。这一选择性失衡源于活性氢（H*）对*N氢化步骤的动力学偏好。

关键观点3: 创新点

本研究通过连续顺序模块化组装和热解策略制备了负载双金属单原子的双壳介孔碳球电催化剂（FeNC@MgNC-DMCS）。其特征是单原子位点有序分层分布，用于N 2 选择性ECDN。通过空间分离的双单原子位点协同机制破解了现有催化剂难以实现高效N−N耦合的难题。

关键观点4: 催化剂制备与表征

通过硬模板法原位顺序模块化组装和热解策略分别在双壳介孔碳球（DMCS）的内外层锚定了Fe/Mg金属位点。通过高分辨透射电镜、高角环形暗场扫描透射电镜、元素映射系统揭示了双壳层结构中Fe/Mg的孤立原子形式分散在内外层，实现空间隔离。

关键观点5: 性能研究

FeNC@MgNC-DMCS与纯Fe单原子催化剂相比具有相似的NO 3 − 去除效率，但N 2 选择性差异显著。外壳负载的Mg单原子通过质子栅栏效应，有效地阻碍了局部质子/活性氢（H + /H*）的迁移，提高了*N之间的偶联概率和N 2 选择性。

关键观点6: 机制分析

外层具有中等碱度的Mg−N 4 位点具有良好的质子栅栏效应，降低了内层Fe−N 4 位点的H+/H*的覆盖度，抑制加氢路径（*N→NHx），促进N−N偶联过程（2*N→N 2 ）。通过CO 2 -TPD、EPR实验以及DEMS检测等手段证实了这一机制。

关键观点7: 实际应用测试

作者通过构建流动电解池，以反渗透浓缩液（ROC）作为目标废水评估催化剂在实际废水处理中的潜在应用。在最佳电流密度下运行后，NO 3 − 去除率和N 2 选择性均未发生显著变化，显示出极好的循环稳定性。