近期，我校環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院工業(yè)污染與環(huán)境健康團(tuán)隊朱超副教授與中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心祝貴兵課題組攜手合作，在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域取得重大突破，成功開發(fā)出“可持續(xù)的環(huán)境硝酸鹽選擇性還原為銨技術(shù)”，相關(guān)研究成果公開發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《PNAS》（2024, 121, e2408187121）上，朱超副教授為共同通訊作者，本研究的核心數(shù)據(jù)均來自陜西科技大學(xué)在生態(tài)中心進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)的3名研究生共同作者的辛勤工作，他們的研究成果為整個項目的推進(jìn)起到了關(guān)鍵作用，充分體現(xiàn)了陜西科技大學(xué)在該領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。
氨作為重要的能源載體和農(nóng)業(yè)化肥原料，其傳統(tǒng)合成方法哈伯工藝存在能耗高、碳排放量大的問題。與此同時，環(huán)境中硝酸鹽的積累因含氮肥料過度使用和工業(yè)廢水排放日益嚴(yán)重，對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。電化學(xué)硝酸鹽還原制氨雖被視為綠色替代方案，但中性條件下的研究因界面硝酸根離子親和力弱、還原效率低而進(jìn)展緩慢。在此背景下，聯(lián)合課題組受自然界Fe(II)離子啟發(fā)，提出固液界面原位調(diào)控策略。以羥基氧化鐵(FeOOH)為Fe源，通過電作用原位生成 Fe(II)離子層，顯著提高了硝酸鹽還原效率，在理論上對經(jīng)典電化學(xué)雙電層模型中吸附理論進(jìn)行了補充。
圖1高氨產(chǎn)率的新界面調(diào)控策略
基于水稻喜銨特性以及稻田灌溉水富含硝酸鹽的特點，課題組提出將稻田灌溉水中硝酸鹽轉(zhuǎn)化為銨以促進(jìn)水稻氮吸收并替代部分化肥的策略。通過盆栽實驗驗證，該策略使水稻產(chǎn)量提高超20%，化肥使用量減少50%。課題組在前期研究基礎(chǔ)上，巧妙將單原子鐵催化劑嵌入電化學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)了實際稻田灌溉水中硝酸鹽高選擇性（大于 90%）快速還原為銨。15N同位素示蹤技術(shù)進(jìn)一步證實，超過80%的環(huán)境硝酸鹽氮素被水稻吸收利用。
圖2利用電化學(xué)技術(shù)將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為銨的策略
此外，該技術(shù)有效阻止了水體中超過70%的硝酸鹽淋溶至地下水，相較于傳統(tǒng)尿素施肥，成本節(jié)約19%，收益提高27%。這一成果首次將電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田灌溉水處理，是學(xué)科交叉研究的典范，為保障糧食安全與環(huán)境污染治理協(xié)同發(fā)展提供了新思路。
文章鏈接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408187121#core-collateral-metrics
（核稿：李成濤 編輯：趙誠）
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