近日，上海交通大學環(huán)境科學與工程學院金放鳴教授團隊與低碳學院何道平副教授在《Nature Communications》上在線發(fā)表了題為“Metallic molybdenum sulfide catalyses protometabolic carbon dioxide reaction networks under extreme conditions”的研究論文。該研究證明了具有金屬特性的1T'相二硫化鉬可模擬生物酶的催化功能，在極端熱液條件下驅動并構建動態(tài)耦合的CO₂還原反應網(wǎng)絡。論文第一作者為上海交通大學環(huán)境科學與工程學院博士生陳鵬飛，通訊作者為上海交通大學低碳學院何道平副教授、環(huán)境科學與工程學院楊陽助理研究員以及金放鳴教授。

研究簡介

在生命起源階段，如何在不依賴生物酶的條件下，從簡單的H₂?CO₂氧化還原體系中生成復雜的有機物代謝網(wǎng)絡，一直是前生命化學領域亟待解決的核心科學難題。盡管已有研究利用零價過渡金屬或金屬硫化物成功合成部分代謝中間體，但構建一個包含多個相互關聯(lián)子系統(tǒng)、具備動態(tài)耦合與自組織特征的完整碳代謝網(wǎng)絡，仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

本研究創(chuàng)新性地利用具有金屬特性的1T'相二硫化鉬（1T'-MoS₂），在模擬深海熱液極端條件下，實現(xiàn)對CO₂/NaHCO₃的高效催化轉化，成功構建了一個非酶促的、自組織的碳代謝反應網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡涵蓋了乙酰輔酶A（acetyl-CoA）途徑、還原性三羧酸循環(huán)（rTCA）、3-羥基丙酸/4-羥基丁酸（3HP-4HB）、二羧酸/4-羥基丁酸（DC-4HB）以及乙基丙二酰輔酶A（EMCP）等五大關鍵生物碳代謝途徑，實現(xiàn)了多種重要代謝中間體的同步生成。

實驗共鑒定出32種有機產(chǎn)物，CO₂轉化率高達68.6%，對C₂₊羧酸的選擇性達70%，催化性能顯著優(yōu)于此前報道的多數(shù)金屬基催化劑。這一非酶促自組織代謝網(wǎng)絡的建立，不僅為理解地球早期生命起源中碳代謝的非生物起源提供了關鍵實驗證據(jù)，也為“雙碳”目標下實現(xiàn)高效、可持續(xù)的碳資源轉化與利用提供了全新的催化范式和潛在技術路徑。

研究內容

本研究首先展示了在1T'-MoS₂催化下，以H₂為還原劑構建的自組織非酶促代謝網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡成功模擬了生物體內五大關鍵碳固定途徑（acetyl-CoA, rTCA, 3HP-4HB, DC-4HB, EMCP），并通過乙酸、琥珀酸等關鍵代謝中間體實現(xiàn)各子系統(tǒng)的動態(tài)耦合，展現(xiàn)出類似生命系統(tǒng)的結構與功能特征。

圖1. 金屬相硫化鉬催化CO₂還原反應網(wǎng)絡示意圖

研究系統(tǒng)評估了溫度、反應時間、反應物濃度及壓力等關鍵參數(shù)對產(chǎn)物分布和C₂₊羧酸選擇性的影響。結果表明，高溫條件更有利于C?C鍵的形成與耦合反應，顯著促進復雜有機分子的生成。實驗觀察到，C₂₊羧酸的選擇性隨反應時間呈現(xiàn)周期性振蕩的動態(tài)分布特征，體現(xiàn)出該非酶促網(wǎng)絡具備類似天然自組織系統(tǒng)的動力學行為。此外，該催化體系在CO₂轉化率和產(chǎn)物選擇性方面均顯著優(yōu)于此前報道的大多數(shù)金屬基催化劑，展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能與應用潛力。

圖2. 硫化鉬的催化性能及產(chǎn)物分布特征

通過XRD、HRTEM和Raman等表征手段，證實了水熱法合成的MoS₂具有典型的1T'金屬相結構，并呈現(xiàn)出清晰的三角形原子排布。進一步結合XPS、XAFS和球差電鏡分析，揭示了活性中心Mo³⁺的形成以及硫空位的廣泛存在。這些獨特的結構特征共同構成了該材料高效催化CO₂還原的物理基礎，為理解其催化機制提供了關鍵結構依據(jù)。

圖3. 硫化鉬的結構表征分析

原位紅外（DRIFTS）分析檢測到1T'-MoS₂表面存在特有的CHx吸附物種，該物種在2H相中完全缺失，揭示了1T'相在促進C?C耦合方面的結構優(yōu)勢。此外，EPR實驗成功捕捉到甲�；�、乙酰基等關鍵自由基中間體的信號，表明反應過程遵循自由基介導的耦合路徑。進一步通過加入自由基清除劑（PBN）進行抑制實驗，觀察到產(chǎn)物產(chǎn)率顯著下降，從實驗層面確證了自由基機制在C?C鍵形成中的關鍵作用。

圖4. 硫化鉬催化CO₂還原的反應機理

計算結果表明，硫空位的引入顯著降低了CH₃與CO耦合的活化能，其中在1T'-MoS₂上的能壘僅為1.18 eV，遠低于其他結構，表明其在C?C偶聯(lián)反應中具有更高的動力學活性。此外，1T'相展現(xiàn)出更靠近費米能級的d帶中心（?0.69 eV）和更低的工作函數(shù)，有利于電子從催化劑向碳物種高效轉移，從而促進關鍵中間體的活化。Bader電荷分析進一步證實，1T'相能夠向反應中間體傳遞更多電荷，增強了Mo?CH₃之間的相互作用，揭示了其優(yōu)異催化性能的電子結構根源。

圖5. 密度泛函理論計算揭示CO₂還原反應網(wǎng)絡的相依賴性

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69255-w

作者簡介

陳鵬飛，上海交通大學環(huán)境科學與工程學院2022級博士研究生，研究方向為CO₂及生物質高值化利用。以第一作者身份在Nature Communications等期刊發(fā)表2篇SCI論文。

何道平，上海交通大學中英國際低碳學院副教授，國家及上海市海外高層次青年人才。主要從事二氧化碳高值化利用、低碳脫硝技術開發(fā)以及廢棄生物質循環(huán)賦能等領域的研究工作。主持國家及上海市自然科學基金科研項目，以第一/通訊作者在Nature Chemistry、Nature Catalysis、PNAS（2）、JACS（2）、Nature Communications（2）等國際權威期刊發(fā)表多篇高水平學術論文。擔任國際期刊Carbon Neutrality青年編委及Energy Science & Engineering早期職業(yè)顧問委員會成員。曾獲International Center for Deep Life Investigation “2021 IC-DLI Deep Life Paper” Award、World Premier International Research Center Initiative Director’s Achievement Award，上海交通大學“十大科技進展”，并入圍上�？萍记嗄�35人引領計劃（面向世界科技前沿）。

楊陽，上海交通大學環(huán)境科學與工程學院助理研究員。長期以來從事生物質（包括有機廢棄物）和CO2的水熱資源化利用的研究。在Nature Communications, Science Bulletin, Nano-Micro Letters, Chemical Science等高質量國際知名學術雜志發(fā)表學術論文近30篇，近10項高創(chuàng)新專利，擔任Deep Underground Science & Engineering，Carbon Neutrality期刊青年編委。曾獲上海交通大學“十大科技進展”，國際先進材料協(xié)會（International Association of Advanced Materials，IAAM）年度科學家獎（IAAM Scientist Medal）。

金放鳴，上海交通大學環(huán)境科學與工程學院特聘教授，博士生導師，學校學術委員會委員。清華大學固體廢物處理與環(huán)境安全教育部重點實驗室學術委員會副主任；日本東北大學環(huán)境科學研究院Fellow（5名中唯一的亞洲人）；日本東北大學客座教授；日本理化學研究所客座研究員；Japan Prize（素稱日本諾獎，諾獎得主J. Goodenough和吉野彰曾獲此獎）官方提名人；Scientific Reports和Energy Science & Engineering雜志編委，Carbon Neutrality，Low Carbon Energy, Environment and Management Journal副主編。長期以來主要從事生物質（包括有機廢棄物）和CO2的水熱資源化利用的研究，在Nature Communications, PNAS, JACS, Angewandte Chemie, Energy & Environmental Science, Science Bulletin, Nano-Micro Letters, Chemical Science等高質量國際知名學術雜志發(fā)表學術論文近300篇，60多項高創(chuàng)新專利。