化石燃料的燃烧导致大量CO₂排放，带来全球气候变化等一系列问题。将CO₂转化为燃料和化学品，为解决能源和环境危机提供了可行的路径。其中，逆水煤气变换 (RWGS) 反应可将CO₂转化为CO，由于CO是化工生产中的重要原料，既可用于甲醇合成，也可用于费托变换生产下游的其他重要化学品和燃料，因此，RWGS被认为是最有前途的CO₂转化方法之一。但CO₂加氢产物种类较多，通过催化剂的合理设计提高产物选择性具有重要意义。

近年来，单原子催化剂 (SACs) 因其具有高活性、高选择性，且能最大限度地提高金属利用率等优点，在催化领域引起人们的广泛关注。此外，SACs具有较为均一的活性位点，为从理论和实验角度深入研究催化反应过程提供了良好的模型。近日，北京化工大学孙振宇教授、韩国先进技术研究院的Yousung Jung教授团队和北京理工大学谭心怡博士发展了单原子Mo催化剂用于RWGS，实现了接近100%的CO选择性，且反应可在较低H₂分压下和较高CO₂转化率下连续稳定运行。

作者通过密度泛函理论（DFT）计算，研究了四种Mo/NC (N掺杂多孔碳) 模型的生成自由能和结合能 (图1A)，发现Mo−N₃(吡咯氮) 具有最稳定的结构。在此基础上，基于RWGS反应CO产物和CH₄副产物及二者的生成路径，进一步对各可能反应步骤的自由能变化进行了计算 (图1B)，结果表明，Mo-N₃(吡咯氮) 催化剂可促进CO₂通过直接解离路径生成CO，且相比于副产物CH₄，更有利CO的生成。

为了验证理论计算预测的结果，作者采用浸渍-煅烧的方法合成了Mo/NC催化剂。通过同步辐射 (图2) 等光谱手段和球差校正透射电镜 (图3) 等一系列表征结果证明了Mo单原子及Mo−N₃(吡咯氮) 配位结构的形成。

作者进一步在微型固定床反应器中测试了Mo/NC催化剂对RWGS反应的催化活性 (图4)，发现所合成Mo单原子催化剂对CO有接近100%的选择性，在500摄氏度和0.069兆帕 H₂分压下，CO₂转化率可达24%，且可保持稳定运行68小时。Mo/NC的催化活性优于大多数已报道的贵金属及非贵金属基催化剂。

本工作中，作者通过理论计算与实验相结合的手段，发展了Mo/NC单原子催化剂在RWGS反应中的应用，为开发高效、稳定的非贵金属催化剂用于CO₂选择性转化提供了一种新策略。