ACB杂志：新加坡国立大学许国勤课题组在光催化领域的最新研究成果

第一作者：吴兴阳、向宇翠

通讯作者：郝中凯、许国勤、John Hon Kay Yip

DOI：10.1016/j.apcatb.2026.126577

 

 

本文亮点

• 原位碱化将CuNi双原子锚定在稳定的富含羟基的MXene纳米片上；位点特异性协同作用：Cu促进*COOH/*H的形成和CO的解吸；Ni加速 *COOH→*CO和水的吸附。

• CuNi双原子调节质子耦合电子转移（PCET），降低CO₂到CO的势垒，抑制H₂析出。

• Cu₁Ni₁ /Ti₃C₂(OH)_x实现了635.8 μmol g⁻¹ h⁻¹的CO生成速率和99.7%的选择性，并具有循环稳定性。

 

 

前言

2026年2月，Applied Catalysis B: Environment and Energy杂志在线发表了新加坡国立大学许国勤教授团队在光催化领域的最新研究成果。该工作报道了CuNi双原子在富含羟基的MXene上的位点特异性协同作用用于选择性CO₂光还原。论文第一作者为：吴兴阳和向宇翠，论文共同通讯作者为：郝中凯，许国勤和John Hon Kay Yip。

 

背景介绍

在水体系中实现高选择性的CO₂光还原非常困难。原因在于，水虽然可以作为绿色、廉价的质子来源，但同时也把反应带入了复杂的质子耦合电子转移（PCET）过程；在这个过程中，CO₂ 还原和析氢反应（HER）会强烈竞争，因此很难同时做到高活性和高选择性。文章从这个矛盾出发，尝试解决“如何在水中优先还原 CO₂，而不是优先产氢”这一关键难题。

单原子催化剂虽然原子利用率高、位点明确，但单一位点往往很难同时兼顾 CO₂ 活化、质子传递、中间体稳定和产物脱附等多步功能。因此，仅靠单一金属中心，往往会在活性与选择性之间出现权衡。相比之下，双原子位点的优势在于：相邻的两个金属中心可以分工协作，让不同步骤在不同位点上完成，从而更精细地调控反应路径。

在载体选择上，选用Ti₃C₂ MXene。因为MXene具有高导电性、亲水表面、可调端基以及较强的界面电荷传输能力，理论上非常适合用来锚定原子位点并促进光生载流子分离；但传统MXene在水体系中又存在稳定性不足的问题。为了解决这个问题，作者采用原位碱化策略，把表面转化为更稳定、富含羟基的Ti₃C₂(OH)ₓ，不仅增强了材料抗氧化稳定性，也为Cu、Ni原子的配位锚定提供了更多-OH锚定位。

 

文章所用设备

图表解析

图1. 合成及光谱表征。

要点：从Ti₃AlC₂出发，经由LiF/HCl原位刻蚀得到Ti₃C₂Tₓ，再通过碱辅助水热过程，实现表面羟基化，同时把Cu、Ni以双原子形式锚定到MXene表面。这样做有两层目的：第一，羟基化后的Ti₃C₂(OH)ₓ比常规MXene更抗氧化、更适合在水体系中使用；第二，表面丰富的–OH可以作为金属位点的稳定锚定位，帮助Cu和Ni以高分散状态存在。

图2. 形貌与结构表征。

要点：通过一系列结构与形貌表征，对催化剂的二维层状骨架、表面形貌以及金属元素分布进行了系统分析。经过原位碱化后，MXene 的二维片层结构仍然得以保留，同时Cu和Ni能够以高度分散的形式稳定存在于载体表面，而非无序沉积或团聚。

图3. 配位环境分析。

要点：通过EXAFS表征进一步证实了Cu-Ni双原子位点的存在。

图4. 光催化CO₂还原活性。

要点：通过光催化CO₂还原实验比较了不同样品的性能，结果表明，构建于富羟基MXene上的CuNi双原子催化剂在CO生成速率和产物选择性方面都表现出明显优势。特别是在水作为反应介质和质子来源的条件下，该体系仍实现了635.8 μmol·g⁻¹·h⁻¹的 CO 产率与 99.7% 的 CO 选择性，并展现出良好的循环稳定性。这一结果的真正价值在于，它并不仅仅意味着产 CO 更多了，而是成功地在竞争性极强的水体系中，将光生电子和质子优先引导到CO₂还原路径，而不是被析氢反应大量消耗。对于光催化CO₂还原而言，这种在活性和选择性上的同步提升是非常难得的。尤其与包含单Cu、单Ni或空白载体等对照样品对比时，可以更清楚地看到：性能提升并不是因为多加了一个金属，而是因为Cu与Ni之间形成了真正有效的协同关系。

图5. 光生载流子动力学分析。

要点：光生载流子的动力学分析表明双原子位点对电荷转移效率具有协同增强作用。

图6. 反应机制研究。

要点：结合原位表征手段以及理论计算，对反应过程中关键中间体的生成、演化与转化进行追踪和分析。发现Cu与Ni在催化过程中并不承担相同角色：Cu位点更有利于 *COOH/*H的形成以及CO的脱附，Ni位点则更有利于*COOH向*CO的转化，并增强对H₂O 的吸附。这一发现非常关键，因为它意味着该体系的优势并不只是“活性位点更多”或者“电子传输更快”，而是反应中的不同关键步骤，被分配到了更合适的局域位点上完成。高选择性并不是偶然结果，而是来自反应路径层面的定向重构。 当*COOH的生成、*CO的形成以及CO的脱附都发生在更匹配的位点环境中时，CO₂还原路径就会变得更顺畅，而HER的竞争则会被自然削弱。

 

全文小结

报道了一种简便且可扩展的双位点工程策略，用于构建MXene负载型催化剂，该催化剂具有空间相邻的Cu和Ni原子对，并锚定在富含羟基的抗氧化Ti₃C₂(OH)x纳米片上。在该体系中，Cu原子作为催化中心，促进*COOH/*H的生成和CO的脱附，而Ni原子则辅助*COOH向*CO的转化和H₂O的吸附。导电的MXene支架促进了光敏剂和活性位点之间的高效电荷转移，而Cu-Ni的协同作用优化了质子耦合电子转移。原位光谱分析和DFT计算证实了这种协同机制。因此，Cu₁Ni₁/Ti₃C₂(OH)_x催化剂实现了高达635.8 μmol·g⁻¹·h⁻¹的CO产率，选择性超过99%，并具有优异的稳定性。这项工作提出了一种在稳定的MXene平台上锚定的双原子催化剂的合理设计方法，展示了空间整合的金属对如何协同介导PCET过程以促进选择性CO₂ -to-CO还原。

作者介绍

许国勤，新加坡国立大学教授，新加坡科学院院士，新加坡国立大学终身教授，新加坡国立大学苏州研究院院长。主要研究方向为：表面化学、纳米结构与光催化等方向的研究，在功能纳米材料、能源转换与储能相关领域具有深厚积累。历任新加坡国立大学理学院副院长，化学系主任，1997年获新加坡杰出青年奖。以第一作者或通讯作者在Journal of the American Chemical Society、Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition 等国际期刊发表研究论文近300篇，被引用超10000次，h指数为65。

 

文献信息

Wu X, Xiang Y, Tian M, et al. Site-specific synergy of CuNi dual atoms on hydroxyl-rich MXene for selective CO₂ photoreduction[J]. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2026, 389, 126577.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126577