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科學研究

環(huán)境學院朱超副教授在國際權(quán)威學術(shù)期刊《PNAS》發(fā)表最新研究成果

2025-01-19 11:44 文、圖/環(huán)境學院 朱超 點擊:[]

近期,我校環(huán)境科學與工程學院工業(yè)污染與環(huán)境健康團隊朱超副教授與中國科學院生態(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在生態(tài)中心進行聯(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起到了關(guān)鍵作用,充分體現(xiàn)了陜西科技大學在該領(lǐng)域的貢獻。

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)廢水排放日益嚴重,對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。電化學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)典電化學雙電層模型中吸附理論進行了補充。

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技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田灌溉水處理,是學科交叉研究的典范,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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