哈工大张冠教授课题组为废水资源化与绿色合成氨提供新思路

哈工大全媒体（阚思邈 谢梁晖 张冠/文 张冠/图）近日，深圳校区智能学部生态环境学院张冠教授课题组在酸性硝酸盐电还原制氨与镀镍废水资源化利用领域取得重要进展。该研究首次揭示了高电流密度可驱动次磷酸镍在阴极原位氧化生成磷酸镍催化剂的创新机制，所制得的催化剂在酸性硝酸盐还原制氨反应中表现出优异的催化性能。这些发现为从工业废水中快速合成高性能催化剂，同步实现氮、磷、镍的资源回收，提供了一条创新的废物衍生策略。该成果以《阴极界面氧化诱导快速合成磷酸镍电催化剂用于废水中酸性硝酸盐制氨转化》（Cathodic Interfacial Oxidation-Induced Rapid Synthesis of Nickel Phosphate Electrocatalyst from Wastewater for Acidic Nitrate-to-Ammonia Conversion）为题发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。

反应机理图：在高电流密度条件下，阴极（泡沫铁）表面迅速形成强碱性局部环境并伴随显著热量释放，协同促进了废水中次磷酸根的逐步歧化反应，将其转化为磷酸根；磷酸根与废水中的镍离子发生共沉积，在电极表面形成磷酸镍涂层。该涂层显著增强了电极对硝酸根离子的活化能力，同时有效抑制了析氢反应，从而实现了优异的硝酸盐还原合成氨性能。

电催化硝酸盐还原反应是一种将含硝酸盐废水处理与合成氨相结合的有前景的策略。然而，当前高效、稳定且经济的电催化剂制备仍面临挑战，特别是在酸性介质中，催化剂易失活且竞争性析氢反应严重。同时，镀镍废水含有正二价镍离子（Ni²⁺）和次磷酸盐污染物，其处理与资源回收需求迫切。过渡金属磷酸盐因其稳定性好、成本低等特点备受关注，但此前尚未见利用镀镍废水直接电沉积制备磷酸镍催化剂以及将其用于电催化硝酸盐还原反应的报道。

该研究展示了一种基于镍电镀废水的创新型资源化策略，通过在铁泡沫基底上直接电沉积制备磷酸镍催化剂。与以往在含次磷酸盐体系中的电沉积研究不同，研究团队首次揭示了在高电流极化条件下，次磷酸盐可在阴极界面直接氧化生成磷酸盐，并阐释了其转化机制。优化获得的催化剂在酸性介质（pH 4.8）和低硝酸盐浓度（10 mM）条件下，对氨的法拉第效率高达96.6%。结合实验与理论方法，研究进一步阐明了该材料在硝酸盐还原反应中表现出的高活性以及对析氢反应的抑制特性。此外，通过系统探究电沉积电流密度、电化学活性面积和电化学阻抗之间的协同关系，建立了其与催化性能之间的有效关联。该研究为利用工业废水快速构筑高性能电催化剂提供了一条新颖的废物转化途径，同步推进了氮、磷、镍的资源回收与环境污染治理，有助于促进循环经济的发展。

哈工大深圳校区为论文唯一通讯单位。深圳校区硕士生冉茂楠为论文第一作者，张冠教授为论文通讯作者。研究得到深圳市高校稳定支持项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202524256