竟然有一种处理硝酸盐污染的方法!

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日本自然资源研究中心和韩国基础科学研究所(KBSI)的科学家从自然界中吸取了经验,发现了一种无需高温或酸性即可有效地将硝酸盐转化为亚硝酸盐(对环境重要的反应)的催化剂,现已发现使这种效率成为可能的机制。

氮是各种生物过程的重要元素,但通常需要在称为氮循环的系统中将其转化为一种形式或另一种形式。在自然界中,这通常是由细菌和其他微生物来完成的,这些细菌和其他微生物可以在环境温度和适度的pH条件下完成壮举。

近来,响应于人口增长过度使用氮肥已经导致了严重的污染水中由于存在硝酸盐(NO 3 – )离子肥料。农业径流会导致饮用水中的硝酸盐污染,以及湖泊和沼泽的富营养化,从而导致藻类生长。结果,变得有必要减少向环境中的硝酸根离子的排放。

目前正在使用微生物进行废水清洁,但并非总是可以做到这一点,因为硝酸盐的浓度会使微生物无法生存。已经尝试创建可以执行细菌完成的相同任务的催化剂。

不幸的是,由于硝酸盐的高稳定性,这些昂贵的稀有金属催化剂需要高温,紫外线光解或强酸性环境。因此,开发可以在环境温度下廉价地进行转化的催化剂是研究的主要目标。

最近,RIKEN可持续资源科学中心(CSRS)的中村龙平(Ryuhei Nakamura)领导的国际小组决定尝试使用与硝酸盐还原酶(一种微生物使用的酶)相同的方法,并成功地化学合成了含氧的硫化钼,能够在中性pH的水溶液中将硝酸盐催化转化为亚硝酸盐。

现在,在Angewandte Chemie国际版上发表的研究中,他们已经使用多种方法来确定其催化剂包含反应活性位点。与天然硝酸盐还原酶相似。他们已经确定含氧的硫化钼是有前途的候选物,并且知道它的效果比其他催化剂更好,但他们不知道为什么。

他们接着通过使用分子光谱法(电子顺磁共振光谱法(EPR)和拉曼光谱法)在还原剂(在本例中为连二亚硫酸根离子)存在下观察其表面化学物种的方法进行了研究。

“我们假设,”第一作者说。 RIKEN CSRS的研究人员,目前在东京工业大学的李亚美说:“氧钼-硫化钼催化剂可能具有与酶中相似的活性位点。为了检验这一假设,我们试图追踪化学物种利用分子光谱对催化剂表面的变化进行分析。

他们的主要发现是带有氧配体的五价钼(一种中间产物)起着加速反应的活性物种的作用,并表明该活性物种的结构类似于天然硝酸还原酶的活性核心。他们使用EPR光谱进行的研究证实了这一点,发现钼的氧和硫配体在有效地在催化剂表面产生五价氧钼物种中也起着重要作用。

中村说:“这一结果表明,在不依赖稀有金属催化剂的情况下,硝酸盐离子可以在温和的环境中被解毒。我们希望这将有可能开发出从废液中合成氨的新技术。”

这项研究的结果为联合国设定的可持续发展目标(SDG)的目标7:“负担得起的清洁能源”和目标14:“水下生活”做出了贡献。

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