论文标题：Upcycling waste protein and heavy metal into single-atom catalytic gas diffusion electrode for CO₂ reduction

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Baiqin Zhou, Zhida Li, Chunyue Zhang, Lu Lu

发表时间：13 Jan 2025

DOI：10.1007/s11783-025-1974-y

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近日，哈尔滨工业大学路璐教授团队在Frontiers of Environmental Science & Engineering期刊第19卷第4期发表了题为“Upcycling waste protein and heavy metal into single-atom catalytic gas diffusion electrode for CO₂ reduction”的研究论文。

全球每年产生的有机废弃物和重金属废水对生态环境构成双重威胁。据估算，农业与食品工业产生的有机废弃物占全球二氧化碳当量排放的7%以上，而电镀废水中的镍（Ni）等重金属具有毒性。目前，电催化二氧化碳还原反应（ECO₂RR）虽能转化CO₂为高附加值化学品，但高效催化材料的开发仍面临成本高、稳定性不足等挑战。传统镍基单原子催化剂（Ni SACs）依赖昂贵的碳基质（如金属有机框架或碳纳米管），限制了其大规模应用。与此同时，废弃蛋白富含氮元素，可通过螯合作用固定重金属，为协同处理有机废弃物与CO₂减排提供了新思路。

本研究采用静电纺丝技术将大豆肽废水与含镍电镀废水混合，以聚丙烯腈（PAN）为支撑材料，经预氧化和碳化处理，制备出了负载镍单原子的气体扩散电极（SP_GDE）。通过对比不含大豆肽废水的电极（NP_GDE），系统分析了有机废弃物中蛋白对催化剂分散性及性能的影响。同时，通过膜电极组件（MEA）测试电极的催化活性，结合多种表征手段（如X射线光电子能谱、透射电镜等）揭示了材料的结构与性能。

研究表明，制备的SP_GDE电极由直径数百纳米的纳米纤维交织而成，形成多级孔结构。其孔隙分布以微孔（<20 nm）为主，可高效吸附CO₂，而介孔（20–50 nm）和大孔（>50 nm）则作为气体传输通道（图1）。XPS分析表明，废弃蛋白中丰富的氮元素有效抑制了镍原子的团聚，并与镍在碳化后形成Ni-Nx配位结构（图2）。通过透射电镜进一步证实，镍以单原子形式均匀分布于纤维表面，未检测到纳米颗粒或团簇（图3）。相比之下，NPGDE因缺乏蛋白分散作用，部分镍原子形成金属纳米颗粒，导致催化选择性下降。

图1 气体扩散电极（GDE）的多孔结构和疏水表面

图2 SP、SP+Ni、SP_GDE和NP_GDE的化学成分与化学键

图3 镍单原子在SP_GDE纳米纤维上的均匀分布

在单室电解池中，SPGDE在−0.8 V（vs. RHE）下CO法拉第效率（FE）达96%，且宽电位范围内FE_CO始终高于80%。而在膜电极组件（MEA）中，SP_GDE在50 mA/cm²电流密度下保持FE_CO在90%以上的选择性，能量效率超过50%。此外，SP_GDE在连续运行8小时后性能未显著衰减，结构稳定性优于传统催化剂（图4）。

图4 MEA中SP_GDE的ECO₂RR性能

研究估算，全球每年产生的食品废弃物可提取约2.4亿吨废弃蛋白，足以支撑大规模催化剂生产。通过SP_GDE技术，每吨废弃蛋白可固定约20 kg镍，同时实现CO₂年减排量达4.78亿吨。该方法不仅降低了催化剂成本，还为电镀废水中的重金属回收提供了新途径。

本研究创新性地利用废弃蛋白与重金属废水，通过静电纺丝技术制备了负载镍单原子的气体扩散电极。该电极兼具多级孔结构和高分散活性位点，在宽电位范围内实现了CO₂高效还原为CO，并展现出优异的稳定性。通过协同利用有机废弃物与重金属，该技术为环境污染物资源化与碳减排提供了可行方案。未来研究可进一步优化蛋白来源与电极制备工艺，推动其在工业规模电解系统中的应用。

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本文内容来自FESE期刊2025年第19卷第4期发表的研究文章“Upcycling waste protein and heavy metal into single-atom catalytic gas diffusion electrode for CO₂ reduction”。通讯作者为哈尔滨工业大学的路璐教授。

引用格式：Baiqin Zhou, Zhida Li, Chunyue Zhang, Lu Lu. Upcycling waste protein and heavy metal into single-atom catalytic gas diffusion electrode for CO₂ reduction. Front. Environ. Sci. Eng., 2025, 19(4): 54

https://doi.org/10.1007/s11783-025-1974-y

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊。

主编：曲久辉院士，John Crittenden院士

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