臭氧消毒或基于硫酸根自由基的高级氧化工艺在处理含溴离子废水时，会生成被国际癌症研究机构列为2B类致癌物的溴酸盐。将溴酸盐通过电催化还原为无害的溴离子，是一种高效、清洁的后处理手段。研发高性能、低成本的非贵金属电催化剂是该技术的核心。金属有机骨架及其衍生材料，因其可调控的原子级金属-氮配位活性位点、高比表面积和优异的导电性，是催化领域的明星材料。其中，铁-氮-碳（Fe-N-C）材料被证实对多种含氧阴离子的电还原具有高催化活性。

  本研究以含有大量铁和氮元素的铁基MOF（MIL-101(Fe)）为单一前驱体，通过加入二氰二胺作为额外氮源，在高温下热解，一步制备了原位生长了大量碳纳米管、且铁以原子级Fe-Nₓ构型高度分散的铁/氮共掺杂碳纳米管材料。高分辨电镜和X射线吸收精细结构谱证实了铁的单原子分散特征和Fe-N₄配位构型。电化学测试表明，该材料在阴极还原溴酸盐时，展现了极低的过电位和极高的反应速率。在-0.6V至-1.0V的宽电位窗口内，对溴酸盐的还原选择性接近100%，法拉第效率高达90%以上，产物只有溴离子，无其他副反应发生。

  值得注意的是，该Fe-N-CNT阴极在含有高浓度Cl⁻、NO₃⁻、SO₄²⁻等共存离子的实际饮用水和工业废水背景中，对溴酸盐的去除性能几乎不受干扰，展现出卓越的抗干扰能力和实际应用前景。长达100小时的恒电位电解测试中，电极的电流密度和溴酸盐还原效率保持稳定，未见明显衰减。密度泛函理论计算揭示了Fe-N₄位点是溴酸盐吸附和接受电子被还原的催化活性中心。该研究以廉价易得的铁基MOF为原料，合成了高性能、长寿命的电催化还原阴极材料，为解决水中溴酸盐污染提供了非贵金属催化剂的理想选择。

标签: