Bilayer electrified-membrane with pair-atom tin catalysts for near-complete conversion of low concentration nitrate to dinitrogen

锡 双层 催化作用 Atom(片上系统) 硝酸盐 膜 无机化学 化学 材料科学 有机化学 生物化学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Xuanhao Wu,X.W. Wang,Yunshuo Wu,Huimin Xu,Zhe Li,Rongrong Hong,Kali Rigby,Zhongbiao Wu,Jae‐Hong Kim
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 1122-1122 被引量:22
标识
DOI:10.1038/s41467-025-56102-7
摘要

Discharge of wastewater containing nitrate (NO3-) disrupts aquatic ecosystems even at low concentrations. However, selective and rapid reduction of NO3- at low concentration to dinitrogen (N2) is technically challenging. Here, we present an electrified membrane (EM) loaded with Sn pair-atom catalysts for highly efficient NO3- reduction to N2 in a single-pass electrofiltration. The pair-atom design facilitates coupling of adsorbed N intermediates on adjacent Sn atoms to enhance N2 selectivity, which is challenging with conventional fully-isolated single-atom catalyst design. The EM ensures sufficient exposure of the catalysts and intensifies the catalyst interaction with NO3- through mass transfer enhancement to provide more N intermediates for N2 coupling. We further develop a reduced titanium dioxide EM as the anode to generate free chlorines for fully oxidizing the residual ammonia (<1 mg-N L-1) to N2. The sequential cathode-to-anode electrofiltration realizes near-complete removal of 10 mg-N L-1 NO3- and ~100% N2 selectivity with a water resident time on the order of seconds. Our findings advance the single-atom catalyst design for NO3- reduction and provide a practical solution for NO3- contamination at low concentrations.
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