2025年9月29日，国际顶级期刊《Nature Water》在线发表了华南理工大学环境与能源学院陈光需教授和邱光磊教授团队题为《Realizing the practical application of CO2 electroreduction for urban wastewater denitrification》的能源-环境融合研究成果，这也是华南理工大学环境与能源学院首次以第一作者单位在《Nature Water》上发表学术研究论文。

二氧化碳资源化利用被视为实现碳中和的重要途径，但一个长期难题是：如何在不经过复杂分离和纯化的情况下，直接利用电化学还原产物。与此同时，城市污水处理中反硝化过程需要外加碳源，而现有的商业碳源（如醋酸盐）成本高昂且存在应用局限。基于此，我院陈光需教授和邱光磊教授团队深度结合学科特色和实验平台，通过仔细对比CO2RR与城市污水反硝化处理两个系统的特点，提出了一种新型的电化学-生物耦合体系，将二氧化碳电还原与城市污水反硝化过程相结合。

在该体系中，电催化反应在中性电解液中高效生成甲酸盐（formate-e），并直接作为微生物反硝化的碳源与能量载体。实验结果表明，该体系不仅实现了优异的硝酸盐去除速率（~3.06 mg/L/h），而且在针对特异性菌群长期连续驯化后，formate-e的反硝化效果超越了传统的商业碳源醋酸盐。通过进一步的环境与技术经济分析显示，若结合电化学回收与分离系统，可显著降低电解液成本，为该耦合系统的规模化应用创造条件。这一研究为二氧化碳减排与城市污水处理的协同发展提供了全新思路，也展现了电化学产物直接应用于环境治理的巨大潜力。

该电化学-生物耦合体系为直接利用CO2RR产物提供了一种有前景的策略，可由光伏、风能或电网低谷电力驱动。未来研究将聚焦于开发稳定高效的CO2RR/CORR体系（包括反应装置和催化剂），以实现对乙醇、乙酸盐、正丙醇等C2+液体产物的高效合成。这类高能量密度小分子有望进一步提升生物反硝化的效率与经济性。并且，随着工程设计的持续优化，该体系有潜力实现技术可行性与经济可行性的统一。更重要的是，通过回收并利用火电、污泥或垃圾焚烧以及生物反硝化过程中释放的CO2作为反应原料，有望实现净零排放，甚至迈向碳负排放。总体而言，本研究为CO2RR的工业化应用建立了一条可持续路径，并为拓展至其他电化学合成反应提供了可能。

图1. 电化学-生物反硝化耦合系统

该论文第一完成单位为华南理工大学，2020级吴祺祺博士、2025级吉思佳博士生和2021级陈金玲硕士为共同第一作者，陈光需教授、邱光磊教授为通讯作者，国立阳明交通大学洪崧富助理教授和南京大学赵伟伟教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、广东省人才项目、兴华人才计划等基金的大力支持。

作者简介：

陈光需，华南理工大学教授、博导，国家海外高层次青年人才，博士和博士后分别师从厦门大学郑南峰院士和斯坦福大学崔屹院士。主要从事能源、环境小分子精准高效转化的基础研究，主要包括功能纳米材料的控制合成、结构表征、电/热催化性能、反应机理和反应系统设计开发。先后承担国家海外高层次青年人才项目，科技部重点研发计划“循环经济关键技术与装备”重点专项课题负责人（1项），国家自然科学基金面上项目（2项），科技部外专项目（1项），广东省人才项目（共2项），广东省省部级项目（6项）。近年来在国际著名期刊上共发表SCI论文60余篇，其中第一作者（含共同一作）或通讯作者文章包括Science (1篇)，Nat. Mater. (1篇), Nat. Catal. (1篇), Nat. Water(1篇), Nat. Commun. (4篇), JACS (1篇), ACS Catal. (2篇), Nano Lett. (2篇), Adv. Funct. Mater. (1篇), Environ. Sci. Technol. (2篇), ACS Nano (5篇), Small (2篇)和iScience (1篇)等。论文已被引用超过15000次（Google Scholar），其中ESI高被引论文7篇，目前H-index为49。申请国家发明专利19件，授权8件，申请PCT专利1件，专利转化2件。荣获2018年度国家自然科学二等奖《金属纳米材料表面配位化学》。

邱光磊，华南理工大学教授、博导、环境与能源学院副院长。主要从事污水生物处理工艺原理、生物脱氮除磷、水处理微生物组学与生物信息学等方面研究。在Nature Water、Environ Sci Technol、ISME Commun、Water Res等发表SCI论文120余篇，H-index 42。主持国家自然科学基金等项目20余项。获2015美国化学工程师学会（AIChE）新加坡分部“杰出青年研究员”、2023广东省环境科学学会生态环境青年科技奖金奖、2023中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖、2023中国环境保护产业协会环境科技进步二等奖等；2019年入选广东省人才项目；担任《Environmental Science and Ecotechnology》《Chinese Chemical Letters》《Environmental Chemistry and Safety》《环境工程》青年编委，担任广东省环保产业协会专家技术委员会专家委员等。