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电沉积Pt纳米晶：从制备到硝酸根还原电催化性能的深度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代工业和农业的快速发展，硝酸根污染已成为一个严峻的环境问题，对生态平衡和人类健康构成了严重威胁。在工业领域，诸如化工、冶金、电子等行业在生产过程中会产生大量含硝酸根的废水。这些废水若未经有效处理直接排放，会导致周边水体的硝酸根浓度急剧升高。在农业方面，为了提高农作物产量，大量化肥被使用，其中相当一部分氮肥会在土壤中转化为硝酸根，通过地表径流和土壤渗透等方式进入水体。

硝酸根污染带来的危害不容小觑。当水体中硝酸根含量超标时，会引发水体富营养化现象。大量的硝酸根为藻类等浮游生物提供了丰富的营养物质，促使它们迅速繁殖。这些浮游生物在生长过程中会消耗水中大量的溶解氧，导致水体缺氧，使得鱼类等水生生物因缺氧而死亡，破坏了水生态系统的平衡。此外，人类若长期饮用含有过量硝酸根的水，硝酸根在人体内可能会被还原为亚硝酸盐。亚硝酸盐具有较强的毒性，它能够与人体血液中的血红蛋白结合，形成高铁血红蛋白，从而降低血红蛋白的携氧能力，导致人体缺氧，引发高铁血红蛋白血症。更为严重的是，亚硝酸盐还可能与人体中的仲胺类物质反应，生成亚硝胺，而亚硝胺是一种强致癌物质，增加了人体患癌症的风险。

传统的硝酸根污染处理方法，如生物法、离子交换法、化学沉淀法等，虽然在一定程度上能够降低硝酸根的浓度，但都存在着各自的局限性。生物法需要较长的处理时间和较大的处理空间，对水质和环境条件要求较为苛刻，而且容易受到温度、pH值等因素的影响，处理效果不稳定。离子交换法需要使用大量的离子交换树脂，成本较高，且树脂的再生过程较为复杂，会产生二次污染。化学沉淀法往往会产生大量的污泥，后续处理难度大，同时还可能引入其他化学物质，对环境造成潜在危害。

相比之下，电催化还原硝酸根技术作为一种新兴的处理方法，具有诸多优势。该技术在常温常压下即可进行，无需高温高压等苛刻条件，大大降低了能源消耗和设备要求。而且，它能够通过精确控制电极电位和电流密度等参数，实现对硝酸根还原反应的精准调控，将硝酸根高效地转化为氮气、氨等产物，减少了二次污染的产生。此外，电催化还原过程可以与可再生能源（如太阳能、风能等）相结合，进一步降低成本，实现可持续发展。

在众多用于电催化还原硝酸根的催化剂材料中，Pt纳米晶因其独特的物理化学性质而备受关注。Pt具有良好的导电性，能够确保电子在电极与反应体系之间快速传输，从而提高电催化反应的速率。其化学稳定性高，在复杂的反应环境中不易被氧化或腐蚀，保证了催化剂的长期使用寿命。同时，Pt纳米晶具有较高的催化活性，能够有效地降低硝酸根还原反应的活化能，促进反应的进行。此外，通过精确控制合成方法和条件，可以对Pt纳米晶的形貌、尺寸和结构进行精细调控。不同的形貌和尺寸会导致Pt纳米晶表面原子的排列方式和电子云密度分布不同，进而影响其对硝酸根及反应中间体的吸附能力和催化活性。合理设计和调控Pt纳米晶的结构，有望实现对硝酸根还原反应路径和产物选择性的有效控制，为解决硝酸根污染问题提供新的策略和方法。因此，深入研究电沉积Pt纳米晶电催化硝酸根还原具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

在电沉积Pt纳米晶的研究方面，国内外学者已取得了丰硕成果。国外研究起步较早，在基础理论研究上具有深厚积累。如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究团队深入探讨了在胶体体系中精准控制Pt基纳米晶形貌的方法，从热力学和动力学方面详细分析了合成条件对形貌控制的影响，为Pt纳米晶的合成提供了重要的理论指导。他们的研究发现，温度是控制产物分布的关键因素，较低的反应温度促进动力学产物的生成，而高温有利于热力学产物。在合成过程中，纳米晶的表面能与不同的晶面、表面配体、缺陷及配位数等密切相关，这使得纳米晶的形貌控制变得更为复杂。

国内研究近年来发展迅速，在应用研究领域取得了显著进展。昆明理工大学的徐明丽教授课题组通过电化学方波脉冲法，以碳纸为基底，在还原氧化石墨烯和氮掺杂的还原氧化石墨烯载体上成功可控合成了具有高指数晶面的Pt纳米晶，并深入探究了Pt纳米晶在具有不同缺陷的改性石墨烯载体上形核、生长和演化的机制。研究结果表明，不同缺陷碳载体对于H的吸附能力存在差异，N-rGO/CFP载体表面的N缺陷导致生长过程中Pt纳米晶的生长速率较rGO/CFP上慢得多，且随着生长时间的延长Pt纳米晶主要生长为二十四面体和四十八面体，但在更长时间（如60min）的生长过程中Pt纳米晶会发生明显畸变。该研究为今后以石墨烯衍生的碳材料为载体设计贵金属纳米晶一体化电极提出了一种新的策略。

在硝酸根还原电催化的研究领域，国外在新型催化剂的设计与开发方面处于领先地位