日本高知工科大學(xué)與名古屋大學(xué)聯(lián)合團隊于近日宣布，成功開發(fā)出一種新型銅鈷雙金屬觸媒，可在常溫常壓條件下，將水體中作為主要污染物的硝酸根離子（NO??）直接轉(zhuǎn)化為氨（NH?），轉(zhuǎn)化效率高達95.4%，為目前公開報道中銅基觸媒的Zui高水平。該技術(shù)同步實現(xiàn)排水凈化與高價值氮資源回收，適用于農(nóng)田退水、化肥廠尾水、電子與化工行業(yè)含氮廢水等典型場景，無需高溫高壓反應(yīng)裝置，顯著降低設(shè)備投資與運維能耗。

硝酸鹽污染是日本及東亞多國農(nóng)業(yè)密集區(qū)面臨的共性難題：過量施用氮肥導(dǎo)致大量NO??隨地表徑流或滲濾進入河川與地下水，不僅引發(fā)富營養(yǎng)化，更威脅飲用水安全——世界衛(wèi)生組織（WHO）規(guī)定飲用水中硝酸鹽限值為50 ppm。而傳統(tǒng)處理方式如生物反硝化雖可脫氮，卻以氮氣（N?）形式逸散，造成氮資源不可逆損失；物理吸附或離子交換則僅轉(zhuǎn)移污染，不解決資源化問題。與此同時，氨作為全球年產(chǎn)量超1.8億噸的基礎(chǔ)化工原料，正加速向“綠色氨”轉(zhuǎn)型：除傳統(tǒng)化肥用途外，其氫含量高（17.6 wt%）、易液化儲運，被視為氫能載體的關(guān)鍵介質(zhì)。但現(xiàn)行主流工藝哈伯-博世法需在400–500℃、15–25 MPa下運行，單噸氨耗電約10–12 MWh，并排放1.8–2.2噸CO?，碳足跡難以滿足碳中和目標。

此次研發(fā)的觸媒核心在于銅與鈷的協(xié)同作用機制：銅位點優(yōu)先吸附并活化硝酸根，鈷位點則原位解離水分子提供活性氫原子，二者分工明確，避免副反應(yīng)競爭。研究團隊通過球差校正透射電鏡（AC-TEM）與密度泛函理論（DFT）模擬證實，該觸媒具備自我適應(yīng)性——反應(yīng)過程中表面原子重排，動態(tài)形成Cu-Co-O界面活性中心，使催化穩(wěn)定性大幅提升。實驗顯示，在連續(xù)運行60小時以上后，氨產(chǎn)率衰減不足3%，遠優(yōu)于多數(shù)過渡金屬催化劑常見的快速失活問題。在模擬實際廢水測試中，進水硝酸鹽濃度為140 ppm時，出水濃度降至7.45 ppm，低于WHO標準近七倍，同時每克觸媒每小時產(chǎn)氨量達0.82 mmol，具備工程放大基礎(chǔ)。

該觸媒采用濕化學(xué)共沉淀法合成，原料為商用硝酸銅與硝酸鈷，燒結(jié)溫度低于400℃，無需貴金屬或復(fù)雜真空鍍膜工藝，適合規(guī)?；a(chǎn)。對國內(nèi)環(huán)保設(shè)備制造商與水務(wù)工程商而言，其Zui大現(xiàn)實價值在于系統(tǒng)兼容性：可直接集成至現(xiàn)有A/O或MBR污水處理設(shè)施的后端模塊，替代傳統(tǒng)臭氧氧化或氧化單元，不新增高壓容器與氣體壓縮系統(tǒng)；對化工、食品、制藥等高氮廢水企業(yè)，該技術(shù)有望將廢水處理成本從單純“合規(guī)支出”轉(zhuǎn)向“資源收益項”——按當(dāng)前工業(yè)級液氨均價約3500元/噸測算，每處理1噸含100 ppm硝酸鹽廢水，理論可回收氨約0.12 kg，年處理百萬噸級廢水的企業(yè)具備經(jīng)濟可行性。值得注意的是，日本已將含氮廢水資源化列為《綠色創(chuàng)新戰(zhàn)略》重點方向，2023年修訂的《下水道法施行規(guī)則》明確鼓勵氨回收技術(shù)實證，地方政府補貼覆蓋設(shè)備投資的30%–50%，這為中國相關(guān)技術(shù)出海提供了清晰政策接口。

中國是全球Zui大的氮肥生產(chǎn)國與消費國，也是硝酸鹽地下水污染Zui嚴重的國家之一——生態(tài)環(huán)境部2022年《地下水環(huán)境狀況調(diào)查評估報告》顯示，華北平原約43%的監(jiān)測點位硝酸鹽超標。國內(nèi)主流脫氮工藝仍集中于生物法，氨回收技術(shù)尚處實驗室階段，且現(xiàn)有電催化或光催化方案普遍存在電流效率低、催化劑壽命短、規(guī)?；y等問題。該銅鈷觸媒的常溫常壓特性，使其在中小型分散式污水處理場景（如村鎮(zhèn)集中式凈水站、養(yǎng)殖廢水處理池）更具落地優(yōu)勢，但需關(guān)注兩點實操約束：一是廢水中若含高濃度磷酸鹽或有機硫化物，可能毒化鈷活性位點，建議前端增設(shè)簡易沉淀或氧化預(yù)處理；二是氨產(chǎn)物需配套吸收塔或冷凝回收裝置，否則易揮發(fā)損失，這對現(xiàn)有設(shè)備改造提出配套要求。目前該技術(shù)尚未申請國際專利PCT，但日方團隊已啟動與日本水處理設(shè)備商Kurita（栗田工業(yè)）及JFE Engineering的合作驗證，首套中試裝置擬部署于四國地區(qū)某化肥廠排水口。

這一案例凸顯出一個具體行業(yè)關(guān)注點：在含氮廢水處理領(lǐng)域，單純追求“達標排放”的技術(shù)路線正快速讓位于“凈化+資源化”雙目標導(dǎo)向，而觸媒的穩(wěn)定性、常壓適配性與模塊化集成能力，已成為設(shè)備選型的核心判據(jù)——采購方不能再僅比對COD或總氮去除率，還需核算單位水量的氨回收量、觸媒更換周期及配套回收設(shè)施占地與能耗。