南京师范大学何欢与广州大学刘兆清团队Nat. Commun.: 晶格应变介导MoSe₂促进压电催化实现有机污染物升级回收

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

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本文以晶格应变工程为核心策略，成功制备了晶格应变型MoSe₂（LS-MoSe₂）压电催化剂，实现了废水中有机污染物的高效降解与高附加值化学品CO选择性生成，突破了传统高级氧化工艺仅能矿化污染物、碳排放高且易产生污泥的瓶颈。机理研究表明，晶格应变可调控Mo位点的局域电子结构，不仅增强碳中间体的吸附与活化，同时抑制H₂O解离生成H*，进而将碳还原机制从H*介导的还原转变为质子耦合电子转移（PCET）路径。同时，过硫酸盐作为重要桥梁促进氧化反应，为CO生成提供充足的碳源。此外，该反应体系表现出生物安全性、环境可持续性和实际应用潜力。本研究深化了对晶格应变调控碳还原机制的理解，并为通过燃料生产与同步深度处理实现实际废水资源化提供了可行路径。

背景介绍

基于过硫酸盐的高级氧化工艺因其在处理难降解有机污染物方面的出色表现而备受关注，被视为极具前景的污水治理技术。然而，其处理过程通常伴随着大量不受控制的CO₂排放，且由于有机污染物的聚合而产生大量污泥，这严重阻碍了向“碳中和”以及污染控制迈进的步伐。鉴于有机废水是资源和能量的载体，将有机污染物转化为高价值的化学原料（如CO）为同步实现污染控制和资源回收提供了更具可持续性的策略，并且该过程可以与现有的费托合成工艺无缝集成以生产烯烃。然而，很少有研究报道从实际废水中生产有价值的化学制品，因为大多数废水处理只专注于高效去除和深度矿化有机污染物。目前，具有潜在应用前景的可持续污染物转化技术包括光催化、电催化和压电催化等，其中压电催化因其简便、清洁和高效的特点而备受关注。应变工程是调控二维过渡金属二硫化物能带结构并定制纳米尺度电子特性的一种有效手段。压电效应源于非中心对称的晶格结构，对材料应变状态高度敏感。当晶体结构的对称性因应变被打破时，产生的内建极化电场可有效驱动压电电子-空穴的分离和迁移，从而提升催化性能。已有研究表明拉伸应变不仅能诱导表面空位、优化电子分布，还可调节多原子分子的吸附行为，在催化领域展现出广阔潜力。因此，通过晶格应变设计压电催化剂为提升碳还原过程中的活性和选择性提供了一种有前景的方法。然而，目前对压电催化中应变工程的作用机制研究仍显不足，晶格应变与碳还原之间的关系尚不明确，亟待深入探究。

图文解析

图 1：LS-MoSe₂的表面结构与化学环境表征图

要点：XRD精修表明，LS-MoSe₂-II特征峰向低角偏移，晶胞体积与晶格间距增大，证实存在拉伸晶格应变。GPA应变场分析显示，LS-MoSe₂-II面外应变ε_yy最高约8.1%，以拉伸应变为主。Mo K边XANES中吸收边高能偏移，说明Mo价态上升、电子离域性增强，应变调控了其电子结构。EXAFS及配位数拟合显示，LS-MoSe₂-II的Mo-Se键信号减弱、配位数由5.2降至4.7，证实应变促使Mo-Se键断裂，产生不饱和Mo活性位点与Se空位。

图 2：催化剂的压电性能与电化学分析

要点：形貌图像清晰地显示了LS-MoSe₂-II，其相关振幅图和相位图也观察到了明显对比。振幅曲线呈现出蝴蝶状，在交流电作用下发生了显著变化，而相位角在滞回环内变化了约140°。这些发现证实了LS-MoSe₂-II具有显著的压电性能。此外， MoSe₂和LS-MoSe₂-II的最大有效压电系数（d₃₃）值分别为5.82和11.70 pm/V，这证实了由于存在晶格应变，LS-MoSe₂-II具有更强的压电性能。COMSOL模拟显示，LS-MoSe₂-II压电电位更高且全域均匀分布，暴露出更多活性位点。Mott-Schottky曲线表明其电荷密度更高、电荷分离更高效，为压电催化氧化还原反应提供充足电荷。

图 3：压电催化CO产率与同步废水处理性能

要点：LS-MoSe₂-II/PMS/US可100%降解苯酚，CO产率为69.52 μmol·g^-1，且选择性为100%；MoSe₂虽可完全降解苯酚，但CO产率仅7.98 μmol·g^-1并伴随H₂产生，说明晶格应变可显著提升碳还原效率与选择性。单一/双组分体系性能极差，证明PMS、超声与LS-MoSe₂-II的协同作用缺一不可。传统高级氧化体系（Co²⁺/PMS、Fe²⁺/H₂O₂、Fe²⁺/PDS）仅矿化苯酚而无CO生成，表明压电催化是实现污染物高值化转化为CO的关键。CO产率与晶格应变存在正相关，说明应变可以有效调节碳还原过程。6次循环后催化剂活性无明显衰减，稳定性优异。EPR表征显示SO₄^·-为主要氧化自由基；反应中CO₃^2-先升后降，表明苯酚经碳酸盐中间体还原生成CO。以Na₂CO₃或CO₂为碳源均可产生CO，证实苯酚氧化生成的CO₃^2-/CO₂为CO的直接碳源。

图 4：反应活性自由基与碳还原中间产物表征

要点：LS-MoSe₂-II对CO₂和碳酸盐的吸附量显著高于MoSe₂，说明晶格应变增强了对碳还原中间体的吸附，为碳还原提供充足碳源。EPR结果显示，加入CO₃^2-/CO₂后MoSe₂的H*信号消失，而LS-MoSe₂-II信号基本不变，表明前者碳还原依赖H*介导，而后者表现出不相关性。H₂O-TPD与接触角测试表明，LS-MoSe₂-II水脱附温度更低、接触角更大，晶格应变抑制了水的吸附与解离，减少H*生成并改变碳还原机制。CO₂-TPD显示LS-MoSe₂-II在306.2 ℃出现更强的*COOH特征峰，说明晶格应变促进CO₂活化与关键中间体*COOH生成。原位DRIFTS依次观测到双齿碳酸盐、单齿碳酸盐、*CO₂、*COOH、*CO等信号，且LS-MoSe₂-II中间体信号更强，直观揭示苯酚转化为CO的转化路径。

图 5：晶格应变调控催化性能的DFT计算

要点：LS-MoSe₂-II中Mo的d带中心更靠近费米能级，反键轨道占比提升，增强了金属位点与碳中间体的轨道杂化及吸附活化能力，符合Sabatier原理。吸附自由能计算表明，其对CO₃^2-/CO₂吸附更强、对H₂O吸附更弱，验证了应变调控的吸附选择性。HER能垒更高，显著抑制析氢，使碳还原由H*介导转为PCET机制。晶格应变将带隙由1.52 eV降至1.43 eV，提升载流子浓度与电荷分离传输。与CO₃^2-/CO₂间电荷转移更多，强化了静电作用与电子传递。MoSe₂的决速步骤*CO₂→*COOH的能垒为1.74 eV，LS-MoSe₂-II仅0.51 eV，应变大幅降低碳还原能垒、加快动力学。其与*COOH结合后d带中心仍更靠近费米能级，电子转移更多，C-O键更易断裂。COHP分析从轨道层面证实了*COOH向*CO转化的动力学优势。

图 6：生物毒性与体系应用普适性评价

要点：斑马鱼胚胎实验显示原始苯酚溶液致死率93.3%并伴随严重畸形，MoSe₂/PMS/US处理后致死率仍达80.0%，LS-MoSe₂-II/PMS/US处理后致死率降至13.3%且无畸形，催化剂本身无毒，生物相容性优异。大肠杆菌实验表明原苯酚液及MoSe₂体系处理液均明显抑制菌体生长，LS-MoSe₂-II体系处理后与对照组无显著差异，生物安全性良好。生命周期评估显示，该体系在18项环境指标上评分均优于MoSe₂体系，环境可持续性与低碳优势突出。体系可高效降解酚类、抗生素、染料、PFAS及部分微塑料并同步产CO，底物普适性广。处理实际工业废水时，COD由1478.2降至1095.6 mg·L^-1，CO产率达335.65 μmol·g^-1，兼具降解与资源化潜力，应用价值显著。

总结与展望

该研究提出晶格应变工程策略，制备了高活性晶格应变LS-MoSe₂压电催化剂，解决了传统MoSe₂压电催化电荷复合快、碳还原选择性低的问题。构建了LS-MoSe₂-II/PMS/US协同体系，实现了有机污染物的降解同步资源高效转化，突破了传统高级氧化仅矿化的瓶颈。首次阐明晶格应变通过调控d带中心和吸附选择性，将碳还原机制从H*介导转为PCET，为压电催化高值化转化提供了新的机制理解。且验证了体系的生物安全性、环境可持续性和实际应用潜力，为废水处理的资源回收及低碳排放一体化提供了新的技术方案。

文献信息

Zhong, Q., Sun, Y., Yang, S. G., Dai, Y. H., He, H*., Liu, Z. Q*., 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.

作者介绍

钟强，博士，主要研究领域为高级氧化技术在水处理中的应用、环境功能材料合成与应用、水环境化学过程等。主持国家自然科学基金青年项目、博士后面上项目、国家资助博士后研究人员计划等项目5项；以第一作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ.,等国际期刊上发表学术论文7篇，授权发明专利5项。

刘兆清，广州大学化学化工学院教授、博士生导师，研究方向为新型能源存储与转化技术、环境催化等，入选英国皇家化学会会士、国家高层次青年拔尖人才、广东省杰青、科睿唯安全球高被引科学家 (2021–2023)、全球前2%顶尖科学家 (终身科学影响力榜单)，获广东省自然科学二等奖。以第一/通讯作者在PNAS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Sci. Bull., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Chem. Sci.发表SCI论文190余篇，引用20000余次，H值75。担任Sci. Bull., Chin. Chem. Lett.等期刊编委。

何欢，教授，博士生导师，现就职于南京师范大学环境学院。江苏高校“青蓝工程”中青年学术带头人，江苏高校优秀科技创新团队负责人。兼任中国环境科学学会POPs专业委员会委员、江苏省新污染物治理专业委员会委员，担任Reviews of Environmental Contamination and Toxicology期刊副主编、Eco-Environment & Health编委等职。主要研究领域为新污染物环境识别技术、毒害污染物的环境行为与效应、环境功能材料合成及其在典型污染物去除中的应用等。近年来主持了包括国家科技重大专项课题、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省重点研发计划社会发展项目以及江苏省“六大人才高峰”计划等多项国家及省部级项目，以第一作者或通讯作者身份在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Environ. Sci. Technol., Water Res., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B: Environ., Small, Chem. Eng. J., J. Hazard. Mater., Environ. Pollut.等杂志上发表SCI论文100余篇，获授权发明专利16项。研究成果荣获教育部自然科学一等奖（排名第3）。