不断增长的化石燃料消耗和相关的环境问题严重阻碍了人类社会的可持续发展。基于可再生能源与绿色催化的含碳、含氮物质的消除及其资源化利用，正成为推动低碳社会发展新模式的重要途径。微纳米多相催化材料在促进反应动力学方面通常优于传统反应过程，在有机污染物消除、硝酸盐转化、CO₂资源化利用等重要催化反应中的应用前景备受关注。特别是，近年来结构明确的原子级分散催化剂因其高原子利用效率、优异的活性和选择性而成为催化领域的研究热点。然而，含碳氮物质参与的多相反应过程往往涉及多步骤化学转化和多中间体的复杂反应。目前对单一活性位的识别与调控方法，很难打破中间体之间的线性比例关系，从根本上制约着催化剂反应效率的提升及其潜在应用。曲久辉院士团队针对碳氮物质催化转化及消除中的多相微界面过程开展了系列研究，在双位点耦合催化新策略及其机制研究方面取得了重要进展。

利用太阳能将CO₂转化为高价值资源，对于助力“碳中和”战略目标的实现具有重要研究价值。然而，CO₂分子极高的键能和水氧化提供质子不足仍严重限制着已有催化材料转化CO₂的效率。该研究团队在分子和原子层面深入理解多相催化剂构效关系的基础上，提出了高效活化与转化CO₂等无机小分子的双位点耦合催化新策略(图1)。通过二维碳氮共轭平面上形成边缘吡啶氮空位缺陷，离域局部电子增强CO₂界面化学吸附作用，借助氮空位与邻位边缘亚氨基对CO₂分子的拉扯作用降低C=O键活化能垒，实现惰性CO₂在催化剂表面的高效活化。同时，以氢气合成气氛在氮空位相邻的吡啶氮位点引入额外的质子，将其作为生成中间产物*COOH所需的原位质子源，由此在催化剂表面得以活化的*CO₂被迅速转化为CO燃料。吡啶氮空位与邻位质子化吡啶氮间的耦合协同，使得氮化碳材料的转化CO₂能力得到了183倍的提升，是目前所报道的最高值，该研究成果对于寻求突破CO₂转化利用效率瓶颈的有效途径具有重要意义。

该研究团队进一步将其与氧化还原位点分离策略相结合，通过将二维碳氮共轭结构与不同晶面氧化钛相复合构筑异质结，开展光生电荷分离效率和转移路径的调控，提升催化活性。研究中发现，二维共轭结构与氧化钛还原性101晶面能够形成较氧化性001晶面间更强的微界面电场，所形成的S型电荷转移异质结在维持了有机聚合物本征电子结构的基础上，实现了强还原和强氧化位点的空间分离，高效的电荷分离使得二维材料催化转化CO₂的效率提升5倍以上，从而有助于深入理解双位点耦合和氧化还原位点空间分离在强化CO₂活化和电荷分离中的作用本质。

受以上机制的启发，该团队将原子位点设计的氮化碳聚合物与反硝化微生物P. denitrificans相结合，建立了双位点耦合调控材料/微生物界面相互作用，人工强化生物脱氮的新方法(图2)。该研究以二维共轭面中的氰基作为氮化碳与微生物氢键相结合的位点，同时借助引入单原子钴降低氰基作为供电子基团造成的局部生物分子静电排斥作用，通过人工材料对反硝化菌的温和适度刺激，调控生物代谢功能、加速细胞质合成中的电子与能量转移，进而改善生物体内铁代谢水平，显著提升脱氮酶去除硝酸盐的催化反应活性。

上述一系列研究建立了双位点耦合强化碳氮转化与资源化的新策略，在原子层面阐明了双位点协同作用本质，实现了双位调控策略在CO₂还原、脱氮等重要反应中的原理应用。相关成果发表于Angewandte Chemie International Edition 2022, 134, e202212706; Water Research 2022, 218,118465; Water Research 2022, 222, 118955; Chemical Engineering Journal 2022, 442, 135279。

该工作得到了国家自然科学基金 (批准号：52170042, 52225002, 52221004) 的资助。