人工强化生物脱氮的反应界面原子位点调控机制
作者单位：清华大学环境学院水质与水生态研究中心
会议名称：《中国环境科学学会2024年科学技术年会》
会议日期：1000年
学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学]
摘 要：开发高效单原子催化剂的关键在于精确调控金属位点的几何与电子结构。我们研究发现,单原子位点作用的发挥与载体配位结构、界面缺陷及杂原子密切相关,单原子与邻位缺陷及质子形成关联位点结构,可极大提升催化界面电荷转移。根据此原理,通过碱金属杂原子辅助原子界面迁移,对单原子位点的配位环境进行精细调控的同时,形成单原子与纳米簇共存的双协同位点,实现了氧缺陷介导的原子级位点间电子级联转移,建立了缺陷与原子位点协同强化电荷分离的新方法。利用该方法,构筑氰基与单原子相关联的双位点CoSA/CN-CN催化剂用于强化微生物脱氮反应,氰基增强材料与反硝化菌P. denitrificans间相互作用,荷正电Co单原子用于降低负电氰基与同电荷微生物间的静电斥力。界面亲和与电荷吸引的双重作用下, CoSA/CN-CN为P. denitrificans生理呼吸链提供了更多还原电子,用于生物体内合成和底物转运的直接能量物质ATP水平由1.0提升至3.7 nmol/（mgprotein）。转录组差异分析进一步证实,微生物体内跨膜传输过程和能量代谢过程均变得更加活跃, Fe转运蛋白含量上调进而显著增强反硝化酶生物活性,从而实现了微生物反硝化脱氮效率2倍以上的提升。在此基础上,进一步开发铁单原子与氰基相协同的单原子纳米酶,实现了生物还原硝酸盐反应产物由N向亚硝酸盐的转变,构建出部分反硝化耦合厌氧氨氧化的净水新体系,为人工调控生物脱氮反应提供了新思路和理论支撑。