近日，我院曾华斌副教授课题组在环境领域国际期刊Journal of Environmental Sciences上发表了题为“Bromate Electroreduction on NiO/Ni Foam: Overlooked Role of ‘Reef-Sea’ Synergetic Catalytic Mechanism”的研究论文。论文共同第一作者为我院2023级本科生纪添祺（排名第一）、2023级硕士生程月（排名第二）。该研究通过温和氧化策略在商业泡沫镍表面原位构建了NiO纳米晶“礁”镶嵌于金属Ni“海”的“礁-海”异质结构，实现了水体中致癌消毒副产物溴酸盐（BrO3-）的高效、稳定电催化还原去除，揭示了此前被忽视的异质界面多位点连续脱氧协同催化机制，为饮用水中溴酸盐的安全控制提供了低成本、可规模化的新方案。
研究背景
随着臭氧消毒技术在饮用水处理中的普及，其副产物溴酸盐（BrO3-）的环境与健康风险备受关注。溴酸盐被国际癌症研究机构列为2B类致癌物，各国均对饮用水中溴酸盐限值制定了严格标准。电催化还原法可在常温常压下将溴酸盐彻底转化为无毒溴离子（Br-），规避氢气储运的安全风险，兼具高效性与安全性，是极具应用潜力的技术路线。
现有研究普遍认为，过渡金属基电极上的溴酸盐还原仅发生在表面氧化物/氢氧化物单一组分表面，基底金属仅作为被动电子储库，完全忽视了溴酸盐三步连续脱氧反应对催化位点吸附 - 脱附性能的差异化热力学与动力学需求。这一认知局限制约了高效镍基电催化剂的设计开发，也使得溴酸盐电还原的多位点连续反应机制长期未被系统阐明。
图1. 图形摘要
研究结果
1. 原位构建并系统表征了NiO/Ni泡沫“礁-海”异质结构
以商业泡沫镍为基体，经含氧氛围阴极极化温和氧化，原位生成镶嵌于金属Ni基底的NiO纳米晶，成功构筑“NiO礁-Ni海”异质结构。通过原位拉曼、SEM、HRTEM等系统证实界面和晶相结构，EIS测试表明该结构显著降低电荷转移阻力，大幅提升电催化动力学。
图2. 泡沫镍电极氧化后的形态演变
2. 实现了溴酸盐的高效、稳定电催化还原彻底解毒
该“礁-海”异质结构电极性能优异，优化工况下30分钟内溴酸盐去除率达91.1%，10次连续循环后去除率仍稳定超90%，抗干扰能力突出。体系以直接电子转移为主导，经三步连续脱氧将溴酸盐彻底转化为无毒Br-，无有毒中间产物累积。
3. 阐明了“礁-海”协同催化的电子机制与最优反应路径
通过DFT计算从原子层面揭示协同催化本质：金属Ni“海”位点优先实现溴酸盐吸附与初始脱氧，NiO“礁”位点稳定中间体并促进深度还原。异质界面将反应决速步能垒从0.58eV降至0.07eV，联用树脂富集可提升处理经济性，为工程应用奠定基础。
图3. BrO3-逐步还原为Br-的DFT计算
研究意义与展望
本研究突破了传统镍基电极催化溴酸盐还原的单一位点认知局限，首次提出并证实了NiO/Ni异质界面的“礁-海”协同催化机制，阐明了多位点连续脱氧的反应路径与电子起源。研究利用商业泡沫镍通过简单的表面原位调控即可实现高性能催化，无需复杂的材料合成过程，为开发低成本、可规模化的水处理电催化材料提供了全新的设计思路与理论依据。同时，树脂富集-电催化耦合工艺的提出，有效解决了实际饮用水处理场景的技术瓶颈，为饮用水中溴酸盐等消毒副产物的安全控制提供了新的技术方案。
研究团队及资助
该论文共同第一作者为我院2023级本科生纪添祺（排名第一）、2023级硕士生程月（排名第二），通讯作者为我院曾华斌副教授。其他作者包括我院2023级本科生连珲洹、2023级本科生李俊杰、2024级博士生罗芝鹏，中南大学赵飞平教授，深圳大学肖柯教授。该研究获得国家自然科学基金（Nos. 52400097、3622478250）、厦门大学南强青年拔尖人才支持计划，以及厦门大学大学生创新创业训练计划项目（Project S202510384540）的联合资助。
论文来源及链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1001074226003232
文、图 ￨ 纪添祺
责任编辑 ￨ 曾华斌
