林森/谭理课题组在MXene催化CO2选择性加氢方面取得新进展

近日，我院林森教授课题组和谭理教授课题组合作，在化学领域顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》在线发表了题为“Structure-Sensitivity Switch on Mo₂CT_x MXene: Steering CO₂ Hydrogenation via Surface Termination and Copper Coordination”的研究论文。该工作通过理论计算与实验相结合的策略，系统揭示了Mo₂CT_x MXene表面氧覆盖度和铜配位结构对CO₂加氢选择性的调控机制，为设计高性能、高选择性的CO₂转化催化剂提供了全新的理论指导。

CO₂催化加氢制备高值化学品是实现“双碳”目标的重要途径之一，但如何精准控制产物（如CO、CH₄、CH₃OH）的分布，一直是该领域的核心挑战。催化剂的原子级结构，特别是活性位点的配位环境和电子性质，是决定反应路径的关键，然而其内在的构效关系仍待深入挖掘。

林森教授课题组长期致力于利用密度泛函理论计算与微观动力学模拟，从原子尺度揭示催化反应机理，并指导高效催化剂的设计。在此项研究中，团队聚焦于表面可调性优异的二维MXene材料—Mo₂CT_x，通过系统的理论计算，首次在原子层面阐明了三种结构敏感性催化机制。研究发现，表面氧覆盖度是调控产物选择性的关键开关，高氧覆盖的Mo₂CO_x表面有利于C=O键断裂生成CO，并促进甲醇（CH₃OH）的生成。更为重要的是，铜的吸附与掺杂对反应路径产生截然不同的影响：表面吸附的Cu（Cu/Mo₂CO_x）增强了CH₄的生成，而晶格掺杂的Cu（Cu@Mo₂CO_x）则通过削弱表面亲氧性、稳定含氧中间体，显著促进了CH₃OH的生成。研究进一步发现，Cu的氧化态可作为预测CH₃OH/CH₄选择性的定量描述符，高价态Cu更有利于甲醇的产生。

为了验证理论预测的准确性，成功合成了Mo₂CT_x和Cu/Mo₂CT_x系列催化剂，并通过XPS、XAFS、H₂-TPR和原位DRIFTS等多种表征技术，对催化剂的表面氧丰度、铜的氧化态及反应中间体进行了精准分析。实验结果与理论预测高度一致：通过调控预处理温度，可以有效控制催化剂表面的氧含量，氧含量较高的Cu/Mo₂CT_x催化剂在反应中表现出更高的CH₃OH选择性。原位红外光谱直接观测到了关键中间体（HCOO、CH_x）的演变过程，为理论提出的“氧覆盖度调控路径分支”提供了直接的实验证据。催化性能测试结果表明，通过简单的预处理温度调节，即可在Cu/Mo₂CT_x催化剂上实现从CH₄到CO再到CH₃OH产物的选择性切换，充分印证了理论模型的可靠性。

该工作不仅首次建立了Mo₂CT_x MXene催化剂在CO₂加氢反应中的原子级构效关系，更重要的是，它成功地展示了理论计算如何精准预测并指导实验，实现了从“原子尺度结构设计”到“宏观催化性能”的跨越。研究成果为发展高选择性CO₂转化催化剂提供了“结构敏感性”的普适性设计范式，有望推动MXene基材料在可持续能源催化领域的应用。

相关工作近期发表在Angewandte Chemie International Edition上（DOI: 10.1002/anie.1013763）。该研究得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的资助。

论文信息：

Structure-Sensitivity Switch on Mo₂CT_x MXene: Steering CO₂ Hydrogenation via Surface Termination and Copper Coordination，Juan Li,† Yang Chen,† Lulu Chen, Yong Zhang, Rui Xiong, Li Tan,* Xianzhi Fu, Sen Lin*，Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e1013763，第一作者：李娟、陈阳，通讯作者：谭理、林森