南京师范大学何欢/广州大学「国家级人才」刘兆清Nature子刊 | 晶格应变调控的MoSe₂助力有机污染物升级回收的优异压电催化活性!
- 2026-04-10 03:37:38
南京师范大学何欢/广州大学「国家级人才」刘兆清Nature子刊 | 晶格应变调控的MoSe₂助力有机污染物升级回收的优异压电催化活性!
【做计算 找华算】华算科技预存增值高至30%，送￥8500+返利！Nature/Science课题组长期合作，全年科研无忧，快来抢占! 将废水中有机污染物通过压电催化升级回收为高附加值化学品而非CO2，是解决环境与能源危机的双重方案，但由于压电电子-空穴对的快速复合以及中间体吸附和解离的巨大反应能垒，导致反应动力学迟缓。 2026年3月31日，南京师范大学何欢、广州大学刘兆清在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Lattice strain-mediated MoSe2 enable superior piezocatalysis activity for upcycling of organic pollutants》的研究论文，Qiang Zhong、Yue Sun为论文共同第一作者，何欢、刘兆清为论文共同通讯作者。 
在本文中，作者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，以实现碳中间体向关键COOH中间体的快速转化，从而以更低的反应能垒加速整体碳还原过程。 机理研究表明，晶格应变可以调控Mo位点的局域电子结构，不仅改善了碳中间体的吸附与活化，还抑制了由H2O解离产生的H形成，从而将碳还原机理从H介导的还原转变为质子耦合电子转移（PCET）。 同时，过一硫酸盐（PMS）作为重要桥梁促进氧化反应，进而为CO的生成提供充足的碳源。 这种晶格应变MoSe2表现出155.60 μmol g-1的CO产率和对20 mg L-1苯酚100%的降解率。 本工作深化了对晶格应变如何影响碳还原的理解，并同时为通过燃料生产和同步深度处理来回收真实废水提供了一条可行途径。 基于过硫酸盐的高级氧化工艺作为一种有前景的难降解有机污染物修复技术已引起广泛关注，但其处理过程通常伴随着大量不受控的二氧化碳排放或因有机污染物聚合而产生大量污泥，这严重阻碍了碳中和与污染控制的进程。考虑到有机废水是资源和能量的载体，将有机污染物转化为高附加值的化工原料——一氧化碳，为同步去除污染物和回收资源提供了一种有前景的策略，同时还能减少碳足迹和能耗，并且该过程可与成熟的费托合成无缝集成以生产烯烃。 事实上，从真实废水中生产高附加值化学品的研究鲜有报道，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，用于可持续转化污染物的潜在有前景的技术包括光催化、电催化和压电催化，尤其是具有简单、清洁和高效特性的压电催化。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的污染物降解并同步进行碳还原。然而，当前的研究似乎很少关注压电催化剂本身，因为负载金属助催化剂无疑会显著增加成本，并且可能因泄漏造成二次污染，这严重限制了它们的广泛应用。此外，将有机污染物转化为高附加值化学品的反应机理，特别是碳还原阶段，仍很大程度上未被探索。 在实际应用中确保高效的压电催化性能仍然是一个挑战，主要原因是压电电子-空穴对的快速复合。此外，大多数已开发的碳还原反应催化剂通过H介导的还原机理进行，该机理包括产生活性H作为还原剂以及随后对碳中间体进行加氢。具体而言，H2O分子最初从平行排列重新定向为热力学上有利的H端构型，从而形成H。随后，生成的H沿着催化剂表面迁移并与吸附的碳中间体相互作用。显然，这些反应物动态变形的能量消耗大且动力学不利。同时，H的二聚生成H₂会显著降低碳还原的效率。因此，碳还原的一个重大挑战是碳中间体吸附和解离的巨大反应能垒，这使得碳还原动力学迟缓且复杂。 为了实现高效的非H依赖的碳还原反应，催化剂应具备强的碳中间体吸附能力但弱的H2O吸附能力，这可以通过电正性过渡金属(Mn+)催化位点来实现，因为Mn+的未占据轨道可以接受来自碳中间体的电子，而Mn+的占据d轨道可以将电子反馈给碳中间体的反键π轨道，通过“接受-反馈”相互作用实现金属-氧轨道的充分杂化。在这种情况下，碳中间体能够被直接来源于Mn+催化位点的电子还原，同时溶液中的H2O提供质子，通过质子耦合电子转移(PCET)途径进行，类似于CO2还原酶催化的反应过程。 预计这种PCET机理会减少溶液与碳还原反应之间的竞争。同时，碳中间体的加氢可能通过直接捕获H2O中的质子来启动，在此过程中，碳中间体周围自发形成的氢键网络可以显著增强交织的H2O分子间的质子迁移率，从而构建一条动力学上可行的路径。显然，提高压电催化剂的催化活性和改善PCET反应路径是正在追求的目标，但仍是一个巨大的挑战。 应变工程已被证明是一种有前景的方法，可用于调控二维过渡金属硫族化合物的能带结构并在纳米尺度上定制其电子特性。值得注意的是，压电性的本质源于非中心对称的晶格结构，这使得压电材料对晶格应变状态高度敏感。普遍认为，当半导体晶体结构的对称性被破坏时，由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强大的驱动力。 此外，拉伸催化剂表面可以产生空位并增强电场，最终有利于催化性能。值得注意的是，拉伸应变会在金属原子附近提供更高水平的电子积累，从而促进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）在应变固体表面的吸附热力学能可以被调节，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同时提高碳还原的活性和选择性提供了一条有前景的途径。然而，关于压电催化中具有应变工程的压电催化剂的研究相对较少，晶格应变与碳还原之间的关系仍不清楚。 在此，作者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并同步进行碳还原，在LS-MoSe2-II/PMS/超声(US)体系中，其对苯酚向CO的选择性转化率达到100%，产率接近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态材料中产生更强的内建电场，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，有效地提高了费米能级附近的电子态数量，并降低了COOH生成以及CO脱附的能垒，增强了压电诱导电荷的转移。更重要的是，LS-MoSe2-II中不饱和的Mo位点有利于更强的CO32-/CO2吸附，并抑制了由H2O解离产生的H形成，从而将碳还原机理从H介导的还原转变为PCET。此外，所开发的LS-MoSe2-II压电催化剂也被拓展应用于其他底物废水，表现出优异的稳定性和适应性。本工作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剖析的影响，还为通过废水修复实现低碳排放的碳中和提供了指导性准则。 
图1：表面结构与化学环境表征。(a) MoSe2和LS-MoSe2-II的精修XRD谱图，(b) 拉曼光谱。(c) MoSe2, (d) LS-MoSe2-I, (e) LS-MoSe2-II, 和 (f)LS-MoSe2-III的逆快速傅里叶变换（FFT）图（源自图S11）及其在Ɛxy, Ɛxx和Ɛyy方向的应变场图。(g) MoSe2和LS-MoSe2-II在Mo K边的XANES谱及其详细放大视图（插图），(h) MoSe2和LS-MoSe2-II的k3加权EXAFS傅里叶变换（FT）谱，以及(i)MoSe2和LS-MoSe2-II在Mo K边拟合的配位数（CN）。 
图2：催化剂的压电性与电化学分析。用于研究LS-MoSe2-II的PFM：(a) 高度传感器，(b) 振幅图像，和(c) 相位图像。(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的压电势分布的COMSOL有限元模拟。(i) MoSe2和LS-MoSe2-II的莫特-肖特基（Mott-Schottky）图。 
图3：压电催化CO生成与同步废水处理。(a) 不同条件下的CO生成量及(b) 相应的苯酚去除效率。(c) 不同体系中的CO生成量。（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产率的相关性。(e) LS-MoSe2-II在6次连续压电催化过程中的CO产率。(f) LS-MoSe2-II/PMS/US体系中不同活性物种的EPR谱。(g) 在LS-MoSe2-II/PMS/US体系中苯酚降解并转化为CO的过程中，反应溶液中CO32-离子浓度随超声时间的变化。(h) 不同碳源下的CO生成量。本研究中的所有性能评估实验均进行了三次重复，并报告了带有标准偏差误差棒的平均值。 
图4：活性自由基与反应中间体。(a) MoSe2和LS-MoSe2-II的CO2吸附等温线和(b)碳酸盐吸附曲线。(c) 在有或无CO32-和CO2存在下，MoSe2和LS-MoSe2-II上DMPO-H的EPR谱。(d) H2O程序升温脱附（H2O-TPD）曲线。(e) MoSe2和LS-MoSe2-II的水接触角。(f) CO2程序升温脱附（CO2-TPD）曲线。(g) LS-MoSe2-II/PMS/US体系中苯酚降解并转化为CO的原位FTIR谱。(h) LS-MoSe2-II/PMS/US体系中苯酚降解过程中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) 示意图说明通过调节金属d带中心来改变金属-吸附质相互作用。(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（HER）。(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累和损失）。 
图6：生物毒性普适性与应用前景。(a) 孵化96小时后斑马鱼的死亡率。插图显示了斑马鱼胚胎的发育形态（A. 心包水肿；B. 眼睛狭窄；C. 鱼鳔未充气；D. 卵黄囊吸收延迟）。(b) 在经不同体系处理的溶液中培养的大肠杆菌（E. coli）菌落照片。(c) 不同体系在LCA中各描述符的影响得分。(d) LS-MoSe2-II/PMS/US体系中不同污染物的CO生成量和降解率。（实验条件：[催化剂]0=0.6 g L-1, [PMS]0=1.8 mg mL-1, [污染物]0=10 mg L-1, [PLA]0=[PET]0=10 mg）。(e) 实际废水中的CO生成量（插图显示化学需氧量（COD）值）。（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）。本研究中的所有性能评估实验均进行了三次重复，并报告了带有标准偏差误差棒的平均值。 综上，作者开发了一种通过晶格应变调控的二硒化钼（MoSe2）压电催化剂，用于同步实现有机污染物的深度降解和高选择性地将其升级回收为高附加值的一氧化碳（CO）。该催化剂通过应变工程优化了钼（Mo）活性位点的d带中心和轨道杂化，不仅加速了压电电荷分离，还改变了反应机理，从传统的H*介导还原转变为更高效的质子耦合电子转移（PCET）路径，并利用过一硫酸盐（PMS）作为桥梁提供充足的碳源。 本研究成功实现了对苯酚等有机污染物100%的降解率和高达155.60 μmol g-1的CO产率，为解决环境污染和能源危机提供了双重方案。本工作不仅深化了对压电催化中应变效应和碳还原机理的理解，还为真实废水的资源化处理开辟了新途径，其策略有望应用于多种有机废水的同步净化与燃料生产，在环境修复和绿色化工领域具有广阔的应用前景。 Lattice strain-mediated MoSe2 enable superior piezocatalysis activity for upcycling of organic pollutants. Nat. Commun.,(2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71183-8. #何欢#刘兆清#南京师范大学#广州大学#Nature子刊#晶格应变#催化 
👉 点击阅读原文，立即下单！
本文来自网友投稿或网络内容，如有侵犯您的权益请联系我们删除，联系邮箱：wyl860211@qq.com 。
