随着工农业的迅速发展以及人们生活水平的不断提高,工业废水和生活污水的排放量也呈现日趋增加的趋势,农业生产中氮素化肥的施用量也越来越多,使得水中的硝态氮污染越来越严重,它直接关系到人体的健康、社会的安定和经济的发展[1-3]。针对目前硝态氮的污染问题,科学家们研究出了一系列水处理技术[4-7],其中电催化还原技术因其绿色环保、经济节约的优势脱颖而出[8,9],其中电催化还原硝态氮合成氨（nitrate reduction to ammonia,NRA）的路线引起了广泛关注,一方面可以通过该路线去除水中的硝态氮,另一方面氨作为一种绿色能源,能够发挥更大的经济价值,这种“变废为宝”的想法是一个很好的水处理技术替代思路[9]。本课题拟结合电化学沉积法、原位生长法合成策略设计和制备三种组分可调的铜基和镍基合金催化剂,旨在利用金属组分的协同效应促进硝酸盐的吸附与活化,并抑制析氢反应活性,以提高NRA电催化剂合成氨的选择性和法拉第效率;通过XRD、SEM、TEM、HRTEM、EDS-Mapping、HAADF、XPS表征催化剂的结构和表面组成,通过金属盐比例、制备方法等优化催化剂的结构,提升NRA电催化性能,建立催化剂的结构与催化还原硝酸根合成氨的电化学性能建立构效关系。课题的研究内容如下:1、体系一通过原位生长法,通过金属铜的置换反应,获得了Pd掺杂的铜电极Pd0.5@CF。经过对金属Pd的负载浓度、反应时间、反应电压等影响因素的探索,制备电极时最佳浸渍浓度选择0.5mg/ml Pd Cl2溶液,最佳电催化反应时间为3 h,最佳反应电压为-0.23 V vs.RHE,此时电化学性能最佳。Pd0.5@CF催化剂适用于中高浓度的硝酸根还原,而不适用于高浓度的硝酸根还原。Pd0.5@CF在含800 ppm硝酸根的1M KOH溶液中催化硝态氮还原生成氨,氨的选择性达到了88%。经过五次i-t循环实验,产氨速率从0.666 mmol h-1cm-2降低到0.552 mmol h-1cm-2,硝酸根的去除率只下降4%左右,说明催化剂的稳定性较好。2、体系二中,我们针对Pd0.5@CF催化剂表面的金属团聚问题,制备了改性后的Cu1Pd1@CF催化剂。通过原位生长法,调控铜盐和钯盐的浓度,选择0.75mg/ml Pd Cl2,0.75mg/ml Cu Cl2盐溶液,制备得到Cu1Pd1@CF催化剂。经过改性后,Cu1Pd1@CF能够适用于1000 ppm以下浓度的硝酸根还原,在含1000 ppm硝酸根的1M KOH溶液中,Cu1Pd1@CF对产物氨的选择性为90%,硝酸根去除率接近100%,法拉第效率为97%。Cu1Pd1@CF经过五次NRA循环15h反应,产氨速率从0.902 mmol h-1cm-2降低到0.815 mmol h-1cm-2,电量仅下降150 C,说明催化剂比起Pd0.5@CF性能更加稳定。3、体系三通过对多元金属的组分调控以及基底的选择,达到可控制备性能良好的NRA催化剂的目标。其中形貌最好的是Cu1Pd1@Ni foam催化剂,通过SEM、TEM、HRTEM表征我们观察到为Cu1Pd1@Ni foam催化剂为特殊的树枝状形貌,并且具有良好的电化学性能。Cu1Pd1@Ni foam适用于1400 ppm以下浓度的硝酸根还原,在1400 ppm硝酸根溶液中,产物氨的转化率为64%,硝酸根转化率接近100%,法拉第效率为70%。在Cu1Pd1@Ni foam的稳定性实验中我们发现经过六次NRA过程,硝酸根去除率仅下降5%,产物氨转化率保持在65%左右,法拉第效率也在65%左右,说明催化剂在18个小时内的催化过程中性能依旧维持稳定。通过对多元金属的组分调控以及基底的选择的研究我们发现,催化还原硝酸根时,铜钯的协同作用效果比单金属铜和单金属钯的催化效果更好,铜钯的协同作用有利于提高硝酸根的转化率;金属铜表现出对亚硝酸根的较高选择性,因此Cu foam在硝酸根还原生成亚硝酸根的反应中,表现出更好的反应活性,而金属镍则对亚硝酸根有较好的去除效果。目标产物氨的高产量要求催化剂必须在NRA过程中提高硝态氮的转化率,降低亚硝态氮的转化率。结合讨论不同金属组分、不同基底对硝态氮和亚硝态氮的影响,选择镍做基底,结合铜钯金属,并且控制金属铜的含量尽可能低,才能使氨的产量达到最高,所以Cu1Pd1@Ni foam在电催化还原硝酸根合成氨的过程中在硝酸根的去除率、亚硝酸根的转化率、产氨以及法拉第效率这四个方面表现出较好的电化学活性。通过研究多元金属的组分调控以及基底的选择对NRA催化剂的影响,我们筛选出了性能最佳的催化剂,该方法有利于可控制备更多形貌好、性能佳的NRA催化剂。