Überhöhte Nitratwerte in Grundwasser und Abwasser sind häufig auf landwirtschaftliche Abwässer sowie Abwasser aus der Industrie zurückzuführen und verursachen Eutrophierung, ökologische Ungleichgewichte und Gesundheitsrisiken wie Methämoglobinämie. Herkömmliche Behandlungsmethoden wie biologische Denitrifikation, Membrantrennung und Adsorption sind mit hohen Kosten, hohem Energiebedarf oder Sekundärverschmutzung verbunden. Die elektrokatalytische Denitrifikation hat sich als attraktive Alternative herausgestellt, da sie Nitrat direkt in Ammoniak oder Stickstoffgas umwandelt. Die meisten Katalysatoren begünstigen jedoch aufgrund einfacherer Hydrierungswege die Ammoniakbildung, was Probleme hinsichtlich Toxizität und Rückgewinnungskosten aufwirft. Aufgrund dieser Herausforderungen besteht dringender Bedarf an der Entwicklung von Katalysatoren, die Nitrat selektiv in unschädliches Stickstoffgas umwandeln und so eine nachhaltige Wasseraufbereitung gewährleisten.
Forscher der Jiangnan University haben einen neuartigen dualen Einzelatomkatalysator entwickelt, der Nitrat selektiv und mit außergewöhnlicher Effizienz in Stickstoffgas umwandelt. Die am 23. Juli 2025 in Eco-Environment & Health veröffentlichte Studie (DOI: 10.1016/j.eehl.2025.100172) zeigt, wie doppelschalige mesoporöse Kohlenstoffkugeln mit Eisen- und Magnesiumatomen eine nahezu vollständige Nitratentfernung ermöglichen und gleichzeitig die schädliche Ammoniakproduktion vermeiden. Mit 92,8 % Nitratumwandlung und 95,2 % Stickstoffselektivität zeigte der Katalysator eine bemerkenswerte Stabilität im Langzeitbetrieb der Durchflusszelle und unterstreicht damit sein Potenzial für die Weiterentwicklung nachhaltiger Abwasserbehandlungstechnologien. Das Team entwickelte den FeNC@MgNC-DMCS-Katalysator mithilfe einer sequentiellen modularen Montage- und Pyrolysestrategie und erzeugte doppelschalige mesoporöse Kohlenstoffkugeln mit räumlich getrennten Atomplätzen. Die innere Schale enthält Fe-N4-Stellen, die die Stickstoff-Stickstoff-Kopplung beschleunigen, während die äußere Mg-N4-Schale eine moderate Basizität erzeugt und als „Protonenzaun“ zur Regulierung der Wasserstoffverteilung fungiert. Diese Architektur minimiert konkurrierende Hydrierung, die sonst Ammoniak erzeugen würde. Labortests ergaben, dass der optimierte Katalysator eine Nitratentfernung von 92,8 % bei einer Stickstoffselektivität von 95,2 % erreichte und damit einschalige oder einmetallische Kontrollen weit übertraf. Mechanistische Studien mittels In-situ-Massenspektrometrie und Infrarotspektroskopie bestätigten, dass der Reaktionsverlauf die N–N-Kopplung gegenüber der N–H-Hydrierung begünstigte . Der Katalysator erwies sich außerdem über einen weiten pH-Bereich und unterschiedliche Nitratkonzentrationen hinweg als widerstandsfähig, während er in Gegenwart störender Ionen eine hohe Selektivität behielt. In Durchflusszellenexperimenten mit simuliertem Abwasser behielt der Katalysator über 250 Stunden eine Entfernung von >90 % und eine Stickstoffselektivität von >93 %. Wichtig ist, dass die Auswaschung von Fe und Mg minimal war und weit unter den Trinkwasserstandards der Weltgesundheitsorganisation lag, was seine strukturelle Stabilität und Umweltverträglichkeit unterstreicht.
„Diese Arbeit veranschaulicht, wie sorgfältiges Atom-Engineering Reaktionswege in der Elektrokatalyse grundlegend verändern kann“, sagte Professor Hua Zou, Co-Autor der Studie. „Durch die Einführung eines magnesiumbasierten Protonenzauns um katalytische Eisenzentren konnten wir Nebenreaktionen, die zur Ammoniakbildung führen, wirksam verhindern. Das Ergebnis ist ein Katalysator, der nicht nur eine hohe Aktivität, sondern auch eine beispiellose Stickstoffselektivität erreicht. Solche Fortschritte ebnen den Weg für praktikable, skalierbare Lösungen für die Nitratbelastung, die ein dringendes Problem für die globale Wassernachhaltigkeit darstellt.“
Die Entwicklung von FeNC@MgNC-DMCS-Katalysatoren eröffnet neue Möglichkeiten für saubere Wassertechnologien. Dank seiner hohen Nitratentfernungseffizienz, seiner hervorragenden Stickstoffselektivität und seiner Langlebigkeit eignet sich das System besonders für die Abwasserbehandlung in landwirtschaftlichen und industriellen Umgebungen mit starker Nitratbelastung. Über die Wasserreinigung hinaus bietet die Designstrategie – die Kombination dualer einatomiger Zentren innerhalb eines hierarchischen Kohlenstoffgerüsts – eine Blaupause für die Anpassung anderer katalytischer Prozesse, bei denen konkurrierende Reaktionswege ausbalanciert werden müssen. Indem diese Arbeit sowohl die Umweltsicherheit als auch die betriebliche Durchführbarkeit berücksichtigt, trägt sie zu den weltweiten Bemühungen bei, die Nitratverschmutzung zu verringern und ein nachhaltiges Ressourcenmanagement voranzutreiben.
Eco-Environment & Health ( EEH )ist eine internationale und multidisziplinäre Fachzeitschrift mit Peer-Review-Verfahren für Publikationen zu den Grenzbereichen Ökologie, Umwelt und Gesundheit sowie verwandten Disziplinen. EEH konzentriert sich auf das Konzept „One Health“ zur Förderung einer grünen und nachhaltigen Entwicklung und befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen Ökologie, Umwelt und Gesundheit sowie den zugrunde liegenden Mechanismen und Interventionen. Unsere Mission ist es, eine der wichtigsten Fachzeitschriften im Bereich Umweltgesundheit zu sein.
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