南京师范大学何欢/广州大学刘兆清,最新Nature子刊!晶格应变介导MoSe₂实现卓越压电催化活性助力有机污染物升级回收!钟强一作

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将废水中的有机污染物压电催化升级回收为有价值的化学品而非CO₂，是解决环境和能源危机的双重方案。然而，由于压电电子-空穴对的快速复合以及中间体吸附和解离的显著反应能垒，导致反应动力学迟缓。

2026年03月31日，南京师范大学何欢团队在Nature Communications期刊发表题为“Lattice strain-mediated MoSe2 enable superior piezocatalysis activity for upcycling of organic pollutants”的研究论文，团队成员钟强为论文第一作者，何欢、广州大学刘兆清为论文共同通讯作者。

第一作者：钟强

通讯作者：何欢、刘兆清

通讯单位：南京师范大学、广州大学

论文DOI：10.1038/s41467-026-71183-8

该研究提出了一种具有晶格应变的MoSe₂压电催化剂，该催化剂协同调控d带中心以及金属位点与*CO₂和*COOH中间体之间的轨道杂化，实现了碳中间体向关键*COOH中间体的快速转化，从而以更低的反应能垒加速了整个碳还原过程。机理研究表明，晶格应变可以调控Mo位点的局域电子结构，不仅能改善碳中间体的吸附与活化，还能抑制H₂O解离产生的H*形成，从而将碳还原机制从H*介导还原转变为质子耦合电子转移。同时，过一硫酸盐作为重要桥梁，促进氧化反应，并为CO的形成提供充足的碳源。晶格应变的MoSe₂实现了155.60 μmol·g⁻¹的CO产量和100%（20 mg·L⁻¹）的苯酚降解率。该研究加深了人们对晶格应变如何影响碳还原的理解，同时为通过燃料生产和同步深度处理来实现实际废水回收提供了一种可行方法。

过硫酸盐基高级氧化工艺作为有前景的修复技术，用于处理难降解有机污染物，引起了广泛关注。然而，其处理过程通常伴随着大量不受控的二氧化碳（CO₂）排放或因有机污染物聚合而产生的大量污泥，这严重阻碍了迈向碳中和与污染控制的进程。考虑到有机废水是资源和能源的载体，将有机污染物转化为有价值的化学原料，一氧化碳（CO），为同步实现污染物去除和资源回收提供了一种有前景的策略，同时减少了碳足迹和能源消耗，并且该过程可与已建立的费托合成无缝集成以生产烯烃。实际上，很少有研究报道从实际废水中生产有价值的化学品，因为大多数废水处理仅关注有机污染物的高效去除和深度矿化。目前，具有潜力的污染物可持续转化技术包括光催化、电催化和压电催化，尤其是具有简单、清洁和高效率特点的压电催化。值得注意的是，过渡金属助催化剂修饰的压电催化剂与过硫酸盐耦合，可以实现高效污染物降解并同步进行碳还原。然而，目前的研究似乎对压电催化剂本身的关注较少，因为负载金属助催化剂无疑会显著增加成本，并且还可能因泄漏造成二次污染，这严重限制了其广泛应用。此外，将有机污染物转化为有价值化学品（尤其是碳还原阶段）的反应机制仍为充分探索。

确保压电催化性能在实际应用中保持高效仍是一项挑战，这主要是由于压电电子-空穴对的快速复合。此外，大多数已开发的用于碳还原反应的催化剂遵循H*介导的还原机制，该机制包括产生反应性H*作为还原剂以及随后的碳中间体氢化。具体而言，H₂O分子最初从平行排列重新取向为热力学有利的氢端构型，从而形成H*。随后，生成的H*沿着催化剂表面移动，与吸附的碳中间体相互作用。显然，反应物这些动态形变的能量消耗大且动力学上不利的性质是显而易见的。同时，H*二聚化为H₂会显著降低碳还原的效率。因此，碳还原面临的一项重大挑战是碳中间体吸附和解离的显著反应能垒，这使得碳还原动力学缓慢且复杂。为了实现高效、不依赖H*的碳还原反应，催化剂应具备强碳中间体吸附能力但弱H₂O吸附能力，这可以通过使用正电性过渡金属（Mnⁿ⁺）催化位点来实现，因为Mnⁿ⁺的空轨道可以接受来自碳中间体的电子，而Mnⁿ⁺的占据d轨道可以将电子反向捐赠给碳中间体的反键π*轨道，通过“接受-反捐赠”的相互作用实现金属-氧轨道的充分杂化。在这种情况下，碳中间体能够直接被来自Mnⁿ⁺催化位点的电子还原，同时由溶液中H₂O通过质子耦合电子转移（PCET）途径提供质子，类似于CO₂还原酶催化的过程。这种PCET机制有望减少溶液与碳还原反应之间的竞争。同时，碳中间体的氢化可能通过直接从H₂O捕获质子来引发，其中碳中间体周围自发形成的氢键网络可以显著增强交错H₂O之间的质子迁移率，从而构建一条动力学可行的路径。显然，提高压电催化剂的催化活性和改善PCET反应路径是追求的目标，但这仍然是一项巨大挑战。

应变工程已成为调控二维过渡金属二硫族化合物能带结构和在纳米尺度定制电子性质的一种有前景的方法。值得注意的是，压电性的本质源于非中心对称的晶格结构，这使得压电材料对应变状态高度敏感。人们普遍认为，当半导体晶体结构的对称性被打破时，非对称中心产生的极化电场可以克服库仑场，这将为压电电子-空穴的分离和移动提供重要驱动力。此外，拉伸催化剂表面可以产生空位并改善电场，最终有利于催化性能。值得注意的是，拉伸应变使得金属原子附近的电子积累水平增加，从而促进了d轨道与s/p轨道之间的相互作用。多原子分子（例如H₂O、H、OH、CO、CO₂、N₂、NH₃等）的吸附热力学能可以在应变固体表面上进行调控，这表明应变工程在各种催化应用中具有巨大潜力。因此，通过晶格应变工程开发压电催化剂为提高碳还原的活性和选择性提供了一种有前景的方法。然而，关于应变工程压电催化剂在压电催化领域的研究相对较少，晶格应变与碳还原之间的关系尚不明确。

在此，该研究展示了一种具有优异压电性能的晶格应变（LS）MoSe₂，可有效促进有机污染物降解同步碳还原性能，在LS-MoSe₂-II/PMS/US系统中，苯酚选择性转化为CO的产率高达近155.60 μmol·g⁻¹，显著优于对比催化剂MoSe₂。实验和理论分析表明，引入晶格应变可在晶体材料中产生更强的内电场，从而加速压电诱导电荷的分离和迁移。此外，与MoSe₂相比，LS-MoSe₂-II具有更高的氧化态和更接近费米能级的d带中心，这有效提高了费米能级附近的电子态数量，降低了*COOH生成和*CO脱附的能垒，并增强了压电诱导电荷的转移。更重要的是，具有不饱和Mo位点的LS-MoSe₂-II有利于更强的CO₃²⁻/CO₂吸附，并抑制H₂O解离产生的H*形成，从而将碳还原机制从H*介导还原转变为PCET。此外，所开发的LS-MoSe₂-II压电催化剂还扩展到其他基质废水，具有优异的稳定性和适应性。该研究不仅深入探讨了应变诱导效应对废水处理系统中动力学优化和催化机理分析的影响，而且为实现废水修复中低碳排放的碳中和提供了指导性指南。

图1 | 表面结构和化学环境表征。(a) MoSe₂和LS-MoSe₂-II的精修XRD谱图及(b) 拉曼光谱（图1b中的箭头表示LS-MoSe₂相较于MoSe₂的红移）。(c) MoSe₂、(d) LS-MoSe₂-I、(e) LS-MoSe₂-II和(f) LS-MoSe₂-III的IFFT图及在εₓᵧ、εₓₓ和εᵧᵧ下的应变场图。(g) Mo K边的XANES光谱及其详细放大图（插图），(h) MoSe₂和LS-MoSe₂-II的傅里叶变换k³加权EXAFS谱图，以及(i) MoSe₂和LS-MoSe₂-II在Mo K边的拟合配位数。

图2 | 催化剂的压电性和电化学分析。LS-MoSe₂-II的PFM用于研究(a) 高度传感器、(b) 振幅图像和(c) 相位图像，PFM测量在相同条件下独立重复三次。对于每次重复实验，至少扫描样品的三个不同区域以验证形貌特征和压电响应的一致性。主图中显示的图像是这些独立实验中获得的典型结果。(d) LS-MoSe₂-II和(e) MoSe₂的蝴蝶形振幅回线和相位曲线。(f) MoSe₂和LS-MoSe₂-II的压电系数(d₃₃)比较。(g) MoSe₂和(h) LS-MoSe₂-II压电势分布的COMSOL有限元模拟。(i) MoSe₂和LS-MoSe₂-II的Mott-Schottky图。

图3 | 压电催化CO生产与同步废水处理。(a) 不同条件下的CO生成情况及(b) 相应的苯酚去除效率。实验条件：([催化剂]₀=0.6 g·L⁻¹，[PMS]₀=1.8 mg·mL⁻¹，[苯酚]₀=10 mg·L⁻¹)。(c) 不同体系中的CO生成情况。实验条件：([催化剂]₀=0.6 g·L⁻¹，[PMS]₀=[PDS]₀=1.8 mg·mL⁻¹，[H₂O₂]₀=5 mM，[苯酚]₀=10 mg·L⁻¹)。(d) 所制备催化剂的应变与CO产量之间的相关性。(e) LS-MoSe₂-II在6次连续压电催化中的CO产率。实验条件：([催化剂]₀=0.6 g·L⁻¹，[PMS]₀=1.8 mg·mL⁻¹，[苯酚]₀=10 mg·L⁻¹)。(f) LS-MoSe₂-II/PMS/US体系中不同活性物种的EPR光谱。(g) LS-MoSe₂-II/PMS/US体系在苯酚降解并转化为CO过程中，反应溶液中CO₃²⁻离子随超声时间的变化。(h) 不同碳源下的CO生成情况。

图4 | 活性自由基与反应中间体。(a) MoSe₂和LS-MoSe₂-II的CO₂吸附等温线及(b) 碳酸根吸附曲线。(c) MoSe₂和LS-MoSe₂-II在存在或不存在CO₃²⁻和CO₂时DMPO-H*的EPR光谱。(d) H₂O-程序升温脱附曲线。(e) MoSe₂和LS-MoSe₂-II的水接触角。(f) CO₂-程序升温脱附曲线。(g) LS-MoSe₂-II/PMS/US体系中苯酚降解并转化为CO的原位FTIR光谱。(h) LS-MoSe₂-II/PMS/US体系中苯酚降解同步碳还原的示意图。

图5 | 晶格应变调控催化性能的机理。(a) 通过调节金属d带中心解释金属-吸附质相互作用变化的示意图。(b) MoSe₂和LS-MoSe₂-II上吸附H₂O、CO₂和CO₃²⁻的吉布斯自由能。(c) MoSe₂和LS-MoSe₂-II上*H位点的析氢反应。(d) MoSe₂和(e) LS-MoSe₂-II的电子能带结构。(f) MoSe₂和LS-MoSe₂-II上CO₂和CO₃²⁻的差分电荷密度。(g) MoSe₂和(h) LS-MoSe₂-II的详细碳还原过程。(i) MoSe₂和LS-MoSe₂-II吸附*COOH后的d带中心。(j) MoSe₂和LS-MoSe₂-II上*COOH的差分电荷密度。(k) MoSe₂和(l) LS-MoSe₂-II上*COOH的COHP图。（绿色、紫色、棕色、红色和白色球体分别代表Se、Mo、C、O和H原子，黄色区域和天蓝色区域分别代表电子的积聚和流失）。

图6 | 生物毒性普适性与应用多样性。(a) 孵化96 h时斑马鱼的死亡率。插图展示了斑马鱼胚胎的发育形态（A. 心包水肿；B. 眼窄；C. 鳔未充气；D. 卵黄囊吸收延迟）。(b) 在不同体系处理后的溶液中培养的大肠杆菌菌落照片。(c) 生命周期评估中不同体系各描述符的影响评分。(d) LS-MoSe₂-II/PMS/US体系中不同污染物的CO生成和降解率。