原子尺度调控Cu2O图案化表面：揭示气体分子-表面相互作用的结构依赖性及其吸附-分离双功能机制

本研究通过密度泛函理论(DFT)系统构建Cu2O(100)晶面三种稳态表面构型(G1-G3)，揭示工业气体(COx/NOx/SO2)吸附选择性与表面配位环境的构效关系。发现G1构型强化COx吸附而抑制NO2结合，Cu富集G2表面促进NOx吸附，G3构型实现CO/CO2高效分离，为设计智能气体传感界面提供理论框架。

　　

在环境治理和工业催化领域，Cu₂O因其独特的电子结构和表面活性备受关注。然而，其(100)晶面在真实反应环境中存在动态重构难题——温度变化会引发表面氧化还原反应，湿度可能导致水分子诱导的腐蚀，这些因素使得表面原子配位环境难以稳定控制。更棘手的是，实际工业废气多为CO₂、NO_x、SO₂等混合气体，不同分子在表面的竞争吸附机制尚未阐明。针对这些挑战，重庆自然基金和中国-俄罗斯专家交流计划支持的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表重要成果，通过原子尺度表面工程破解了气体吸附选择性的调控密码。

研究采用密度泛函理论(DFT)结合从头算分子动力学(AIMD)模拟，通过Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函计算电子结构，利用Bader电荷分析和电荷密度差(CDD)映射解析电子转移，并采用维也纳从头算模拟包(VASP)验证表面稳定性。

几何与电子结构特征
构建的三种Cu₂O(100)表面构型中，G1为2配位O终止面，G2为Cu富集表面，G3含3配位O原子。AIMD模拟证实三者均能在操作条件下保持稳定，其中G2表面因Cu-Cu金属键形成展现出独特的电子离域特性。

气体吸附行为差异
CO₂在G3构型的吸附能(-1.24 eV)显著高于G1(-0.87 eV)，而NO₂在G1表面几乎不吸附(E_ads≈0 eV)。特别值得注意的是，SO₂在G1表面诱导产生0.33 eV带隙，这种吸附诱导的半导体特性转变在气体传感领域具有潜在应用价值。

多分子吸附机制
CO₂凭借刚性线性结构在混合吸附中保持<2%构型变化，而SO₂因键角扭曲(>10%)导致吸附稳定性下降。电荷重分布分析显示，Cu-rich表面通过d电子离域增强NO_x吸附，而O终止面则通过p-d轨道杂化选择性地捕获CO_x。

这项研究首次建立了Cu₂O表面配位环境与气体吸附选择性的定量关系图谱。G3构型展现的CO/CO₂分离能力(E_ads差达0.37 eV)为工业碳捕集技术提供了新思路，而G2表面对NO_x的普适性吸附增强则有助于开发高效脱硝催化剂。作者Zhiwei Wang等提出的"表面配位工程"策略，不仅适用于Cu₂O体系，更为其他过渡金属氧化物的表面设计提供了范式转移。这些发现从电子结构层面揭示了气-固相互作用本质，推动了智能催化材料从经验探索向理性设计的跨越。