近期，中国科学技术大学环境科学与工程系在市政污泥升级资源化研究方面取得新进展。相关研究以“Upcycling waste sewage sludge into superior single-atom Fenton-like catalyst for sustainable water purification”为题，于2024年7月8日发表于Nature Water（DOI: 10.1038/s44221-024-00258-x）。

市政污泥处置是一个紧迫的全球性问题，对社会构成了巨大的经济和环境挑战。尽管废弃污泥具有重要的资源价值，但受限于其产量大、危害性、成分复杂，可回收价值元素浓度低等特点，高效且有效的资源化策略仍难以实现。

本研究创新性地利用废弃污泥的固有特性，提出并验证了复杂污泥多组分原位协同资源化的概念，设计了一种简单的方法，巧妙地将废弃污泥转化为用于水净化的高价值单原子催化剂 (SAC)。该过程涉及通过形成反应性锚定位点和选择性化学键，将污泥中存在的微量氧化还原反应性过渡金属原位升级为碳、氮、硫、磷、硅和铝共配位单原子形态。衍生的SAC在类芬顿催化降解各种污染物中表现出卓越的反应性、稳定性和选择性。结构分析和密度泛函理论计算显示，共配位铁单原子是催化剂中的主要反应位点，其他不同配位结构的单原子过渡金属也形成并协同实现了超高的催化性能。

此外，本研究还通过生命周期评估和投资回报期分析，评价了此升级策略的环境影响和经济潜力。与当前主流的焚烧技术相比，此方法的整体生命周期对人类健康、生态系统和资源的影响较小，具有更大的减排潜力，预示着经济效益及减轻污泥处置的经济负担。该研究不仅在污泥的回收再利用和可持续废物管理方面取得了重要概念性进展，还为制备用于水净化的高性能、低成本、可扩展的单原子金属催化剂提供了可能。通过这种创新策略，为安全、经济且可持续的废弃污泥管理的商业化提供了重要的支撑。

图 污泥单原子催化剂的结构、性能和生命周期分析

该论文第一作者为环境科学与工程系博士生顾朝海和合肥国家同步辐射实验室的潘亚博士，通讯作者为张爱勇教授、陈洁洁教授和俞汉青教授。该研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。同时，研究还得到了中国科大超算中心、大连化学物理研究所先进穆斯堡尔谱中心、上海同步辐射光源、北京正负电子对撞机以及合肥同步辐射光源的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s44221-024-00258-x