硫空位限域的 MoS2 中 Co–Mo 位点用于高效将 CO2 氢化为甲酸盐

把问题气体变成有用原料

二氧化碳（CO2）是主要的温室气体，但它同时也是一种富碳原料。如果我们能以高效且低成本的方式把 CO2 转化为有用产品，就能在减少排放的同时创造新的价值。本研究提出了一种基于二硫化钼（MoS2）的低成本催化剂，经过微量钴原子的改性后，能将 CO2 和氢气转化为甲酸盐——一种用于纺织、皮革加工并且作为潜在氢载体的简单含碳化学品。该工作展示了材料结构在原子层级上的微小调整，如何显著提升催化性能和在实际条件下的稳定性。

为什么选择甲酸盐以及低成本催化剂的重要性

甲酸盐（与甲酸关系密切）是重要的工业原料，并且是储氢液体的有前景选择。目前，用 CO2 制备甲酸盐通常需要含有钯、金、铱或钌等贵金属的催化剂。这些金属稀缺且昂贵，限制了大规模应用。基于更多常见金属且地壳丰度高的替代方案已有探索，但它们常常缺乏实现实用化所需的活性或选择性。MoS2 是一种因电子学和润滑性已为人所知的层状材料，近期成为有希望的候选材料，因为其结构中某些“缺陷”位点——即硫原子缺失处——可以加速 CO2 氢化。然而，如何产生足够多的这些高活性位点并防止它们被空气中的氧钝化，一直是个主要难题。

用钴原子构建更好的活性位点

作者通过将单个钴原子插入 MoS2 晶格来应对这一挑战，部分替代了钼原子，形成他们称之为 Co–MoS2 的材料。借助电子显微镜和一系列 X 射线技术，他们证明钴并未以团簇形式存在，而是作为单原子分散并锁定在 MoS2 层中。嵌入的钴原子微调了晶格的局部成键，尤其是削弱了邻近金属原子与周围硫或氧之间的键合。在富氢的反应条件下，这种较弱的键合使得从表面移除硫或氧原子更容易，从而创建或再生作为真正催化“热点”的硫空位。因此，Co–MoS2 比原始 MoS2 暴露出更多活性位点，无论是在层边缘还是在宽阔的片状平面上。

从结构微调到性能提升

在加压反应器中以碳酸氢盐溶液溶解 CO2 与氢气进行测试时，钴改性催化剂的甲酸盐生成速率达到每克催化剂每小时 17.0 毫摩尔，在 200 °C 下对甲酸盐的选择性超过 99%。该速率几乎是未改性 MoS2 的三倍，并且优于已有报道的其他非贵金属催化剂。更重要的是，该催化剂在至少八个反应循环、总计 80 小时内保持了活性，并且其纳米片结构和晶相保持完整。对硝基氧（NO）能与硫空位结合多少的测量显示，经原位氢处理后，Co–MoS2 比原始 MoS2 拥有约三到四倍的这些关键位点，这直接将结构改性与活性跃升联系起来。

原子级机制如何起作用

为了更详细地理解反应化学，团队使用基于密度泛函理论的计算机模拟。这些计算表明，边缘和面内的硫空位位点倾向于强烈吸附氧，这解释了为什么暴露于空气会迅速使其失活。然而，当钴替代靠近空位的钼时，金属原子与结合氧之间的相互作用变弱，降低了氢移除该氧并重新打开位点的能垒。模拟还描绘了 CO2 的可能反应路径：在钴–钼空位位点，CO2 以适中强度吸附，并倾向通过所谓的羧基（COOH）中间体被加氢，而不是完全断裂其 C–O 键。该路径有利于选择性生成甲酸盐，而非一氧化碳或甲烷等其他产物，并且在边缘和基面位点上具有类似表现。

这对 CO2 转化技术意味着什么

简而言之，这项研究表明，“智能缺陷”能将一种常见材料变成高性能催化剂，用于把废弃 CO2 转化为有价值的化学品。通过将钴原子精确置入 MoS2 晶格，研究人员制造出更多能够耐空气接触并能在操作中再活化的活性位点。结果是一个稳健的非贵金属催化剂，能以高选择性高效地将 CO2 与氢气转化为甲酸盐。超越该特定体系，这项工作提供了一种通用蓝图：通过将不同外来原子限域到载体材料中以控制关键原子易于加入或移除的难易度，科学家们可以为各类清洁能源和绿色化学应用设计更耐久、抗氧化的催化剂。

引用: Wang, Z., Kang, Y., Chen, G. et al. Sulfur vacancy-confined Co-Mo sites in MoS₂ for high-efficiency CO₂ hydrogenation to formate. Nat Commun 17, 3121 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69780-8

关键词: CO2 氢化, 甲酸盐生产, 二硫化钼催化剂, 单原子催化, 温室气体利用