南京师范大学何欢、广州大学刘兆清Nature Communications!!晶格应变重塑MoSe₂催化路径:实现污染物高效降解与同步资源回收

将废水中有机污染物转化为高附加值化学品，而非彻底矿化为二氧化碳，是同时应对环境污染和能源需求的双重挑战。压电催化技术因其能够利用机械能驱动化学反应而备受关注，但该过程长期面临两大核心瓶颈：一是压电材料内部产生的电子-空穴对极易快速复合，导致催化效率低下；二是将污染物分子（如苯酚）中的碳原子转化为目标产物（如一氧化碳，CO）时，关键中间体的吸附与解离步骤存在巨大的反应能垒，致使整体反应动力学迟缓。传统改进策略往往依赖于负载贵金属助催化剂，但这不仅增加了成本，还可能引发二次污染。因此，开发本征高效、无需额外助催化剂的压电材料，并深刻理解其将污染物“升级回收”的微观机制，成为该领域亟待突破的关键科学问题。近期，一项研究通过巧妙的“应变工程”策略，在二硒化钼（MoSe₂）这一经典层状材料上取得了重要进展，为破解上述难题提供了创新思路。

该研究的核心发现在于，通过对MoSe₂晶体结构施加精确的晶格应变，能够从根本上优化其压电性能与催化反应路径。研究人员成功制备了具有不同晶格应变程度的MoSe₂材料（标记为LS-MoSe₂）。综合结构表征与压电力显微镜分析证实，引入的拉伸应变有效破坏了材料的对称性，从而在其内部诱导产生了更强大的内置电场。这个增强的电场为压电电荷（电子和空穴）的分离与迁移提供了强劲驱动力，显著抑制了它们的复合，为高效催化奠定了电荷基础。更重要的是，理论计算与光谱分析共同揭示，晶格应变深刻改变了钼（Mo）活性位点的局部电子结构，使其d带中心更接近费米能级。这一电子结构的调制产生了双重积极效应：一方面，它强化了催化剂对关键碳中间体（如CO₂、COOH）的吸附与活化能力；另一方面，它显著抑制了水分子（H₂O）解离生成吸附态氢原子（H）的副反应。这一转变至关重要，它使得碳还原的主导机理从传统的、效率较低的“H介导还原”路径，转变为更为直接高效的“质子耦合电子转移”（PCET）路径。在PCET路径中，碳中间体直接从催化剂获得电子，同时从溶液中的水分子获得质子，反应能垒大幅降低，从而显著加速了CO的生成动力学。

基于上述机制优化，应变工程化的MoSe₂（LS-MoSe₂-II）在耦合过一硫酸盐（PMS）的压电催化体系中展现出卓越的性能。在处理含苯酚的模拟废水时，该体系在实现苯酚100%降解的同时，能够高选择性地将其中的碳转化为CO，产率高达155.60 μmol g⁻¹，其性能显著优于未引入应变的原始MoSe₂。除苯酚外，该催化剂对多种典型有机污染物（如抗生素、染料）及实际废水均表现出良好的普适性与稳定性，在连续多次循环后活性未见明显下降。此外，研究通过生命周期评估和生物毒性测试表明，该处理过程的整体环境负面影响较低，出水生物毒性显著减弱，体现了其环境友好性。这项工作不仅从原子尺度阐明了晶格应变调控压电催化活性与选择性的微观机制，突破了传统上依赖外加助催化剂的思路，而且成功验证了“污染物降解-资源回收”同步实现的可行性。它所开发的应变工程策略与所揭示的PCET反应机制，为设计下一代高效压电催化材料、发展低碳排放的废水处理与资源回收技术提供了重要的理论依据和实践范例。