上交大&太原理工 Water Research:含氮废水电化学低碳处理新范式?巧妙利用氧还原代替析氢!
第一作者：Zeyu Du, Yongyang Chen
通讯作者：Xiawei An, Jing Bai
通讯单位：太原理工大学，上海交通大学
电化学处理含氨废水，传统路子是阳极产氯氧化，阴极产氢析出。析氢过电位高、能耗大、还有氢气爆炸风险，这笔账怎么算都不划算。上海交大团队换了个赛道：用四电子氧还原（4eORR）替代析氢反应（HER）作为阴极配对反应。他们开发了硫掺杂Fe-N-C单原子催化剂（Fe-NS-C₂），把阴极反应从析氢（0 V vs. RHE）换成氧还原（1.23 V vs. RHE），槽压直接从2.31 V降到1.12 V，逼近理论极限。处理20 mg/L的氨氮废水，能耗从20.85降到10.18 kWh/kg NH₃-N，砍了51%的电费，还不用操心氢气安全。在半导体废水、垃圾渗滤液、焦化废水中跑了一圈，槽压稳定在1.2-1.3 V连续100小时不洗电极，脱氮选择性近乎100%转氮气。这套CER-4eORR耦合体系的核心是把阴极从“电费刺客”变成“节能帮手”，为含氮废水处理指了条低能耗的新路。
一是把阴极反应从产氢换成耗氧，从根子上解决能耗和安全问题。 传统电化学脱氮用HER做阴极配对，槽压动不动超2 V，能量大部分浪费在析氢过电位和欧姆热上。换4eORR之后，阴极电位直接抬了1.23 V，槽压逼近理论极限1.23 V。有人可能会问：ORR过电位也不低吧？但Fe-NS-C₂的Tafel斜率只有76 mV/dec，半波电位0.92 V vs. RHE，比Pt/C还猛，过电位压得足够低，这账才能算得过来。
二是用S掺杂调变FeN₄位点的电子结构。 单原子催化剂不是新鲜事，但S掺进去之后Fe的配位环境从FeN₄变成FeN₃S₁，D带中心下移，含氧中间体的吸脱附行为被优化了。(a) 传统CER-HER体系：阳极产活性氯氧化NH₃，阴极析氢，槽压高、有安全隐患；(b) 本工作CER-4eORR体系：阴极把O₂还原成H₂O，电位抬升1.23 V，槽压直降。核心逻辑是换阴极反应而非改阳极，从热力学层面降电压。
(a-c) Fe-N-C的TEM、HRTEM、HAADF-STEM显示无金属颗粒，Fe呈单原子分散；(d-f) Fe-NS-C₂同样单原子分散；(g) 拉曼光谱ID/IG接近，石墨化程度相当；(h) DFT计算显示FeN₃S₁构型过电位最低；(i-j) XANES和EXAFS证实FeN₃S₁配位。S掺杂调变了Fe位点电子结构。(a) LSV显示Fe-NS-C₂半波电位0.92 V，优于Pt/C；(b) Tafel斜率76 mV/dec，动力学优势明显；(c) RRDE不同转速LSV，电子转移数3.97，近4e路径；(d) 3000圈循环后半波电位仅负移9 mV，抗NH₃干扰能力强。活性和稳定性双双在线，比商业Pt/C还扛造。(a) CER-4eORR系统示意图；(b) 不同阴极体系槽压对比，Fe-NS-C₂/NF仅需1.12 V；(c) 不同阳极对比；(d) 曝气量增大提升阴极电位、降低过电位；(e) 5 mA/cm²时能耗仅10.18 kWh/kg NH₃-N，比HER体系降51%；(f) 电流密度越大能耗优势越小。低电流密度下这套设计的节能效果最炸。(a-b) 放大装置实物与示意；(c) 100小时连续运行电压稳定在1.2-1.3 V，降解率>90%；(d-e) 对氨氮、尿素、甲胺均有>95%去除，能耗：尿素>氨氮>甲胺；(f-g) 四种实际废水中槽压均降约1 V，能耗省23%-29%，氮气选择性近100%。Paradigm-shifting electrochemical denitrification via replacing cathodic hydrogen evolution with four-electron oxygen reduction. Water Research. 2026
DOI: 10.1016/j.watres.2026.126442
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