今天，NewMIT小编为大家推荐来自清华大学-浙江大学-耶鲁大学-莱斯大学的联合团队发表于Science Advances的最新研究。本研究指出，全球众多饮用水源的NO₃⁻浓度已频繁超过10 mg-N L⁻¹的安全阈值，而传统生物脱氮和离子交换在低浓度 (<100 mg-N L⁻¹) 场景下往往成本高、效率低。电催化NO₃⁻还原虽被视为“净水+氮资源回收”一体化途径，却长期受制于活性位点稀释及扩散边界层限制，导致在真实水样处理中法拉第效率与转化速率的双双下滑。

为破解瓶颈，本研究创新性地将Fe-N₄单原子催化剂(Fe₁/NCB_d)均匀涂覆在碳纳米管互穿框架上，制备自支撑电化学纳滤膜(Fe₁/NCB_d@CNT-FEM)，并采用Flow-through运行模式。实验证明：在pH约7.5、NO₃⁻浓度为100 mg-N L⁻¹条件下，水流经膜内10 s即可实现86%的NO₃⁻去除率和约90%的法拉第效率；单Fe原子产氨频率高达15.1 g-N g-Fe⁻¹ h⁻¹ (60.1 mol NH₃ mol-Fe⁻¹ h⁻¹)，比已报道值高出10³-10⁴倍。结合CFD、MD与DFT计算，研究者揭示了“电场富集+纳米限域”的协同机制：20 Å的孔道使靠壁0.5 nm区域NO₃⁻密度提升56.8%，而缺陷诱导的Fe-N₄位点将*NO→*ONH动力学势垒降至0.25 eV。连续运行12 h后Fe流失仅0.4%，NO₃⁻去除率仍稳定在85%。该工作实现了材料-器件-反应器三级耦合，显著放大全球最丰富过渡金属Fe的原子利用率，为分散式饮用水NO₃⁻去除和氮资源循环提供了高效、可持续的新范式。

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