温和条件下由CO₂和H₂O生产合成气是一种有前途的煤基化学工程技术替代方案，但CO₂分子的惰性、H₂O分子的不利解离途径和不合适的催化剂导致了高CO₂转化率和合成气中H₂/CO比例可控难以同时实现。

为解决该问题，内蒙古大学的谷晓俊教授、武利民教授和张江威研究员从强化CO₂分子和纳米空间内H₂O分子活化以及调控金属催化活性中心电子特性的角度出发，构建了亲水性多孔MOF催化剂，并系统研究了其与等离子体协同催化转化CO₂和H₂O的性能与反应机制，特别揭示了MOF催化剂原位动态结构演变导致的几何结构和电子结构优化的配位不饱和金属活性中心是高效催化的关键。

首先，使受限于MOF孔道内的H₂O分子与等离子体活化的CO₂分子充分接触。同时利用等离子体诱导MOF催化剂进行原位结构演变，产生配体缺陷促使更多配位不饱和金属位点成为催化活性中心，并通过各种表征证实了结构缺陷的存在。

进一步通过Cu-K边的χ(R)空间光谱证明，在原始Cu-BTC中，中心Cu离子与O原子的配位数为5；催化反应进行0.5分钟和1.0分钟后，催化剂中Cu离子的配位数逐渐减少，说明随着反应时间延长，配体缺陷增多，催化剂中配位不饱和Cu位点数量增加，利于催化反应过程中高效吸附和活化惰性CO₂和H₂O分子。

性能研究显示，相比于CuO和Fe₂O₃，三维多孔MOF结构在协同等离子体催化CO₂和H₂O高效制备合成气中起到关键作用。其中Cu-BTC催化剂随着反应时间从0.25分钟延长到1.0分钟，CO₂转化率从22.5%急剧提高到61.9%，说明了配体缺陷诱导的更多配位不饱和金属活性位点导致了CO₂和H₂O的高效转化。进一步调控催化反应条件，产物合成气中H₂/CO的比例在0.05:1-4.3:1范围内可调。

最后，通过DFT模拟计算，证实了在Cu配位数为4的Cu-BTC-D2中，Cu位点与CO₂之间的相互作用最强、电子密度最高、CO₂还原为CO的能垒最低、H₂O分子的吸附作用最强、*H吸附的自由能最低，因而最有利于CO₂和H₂O的吸附和活化。

该研究为合成气的高效生产提供了一种绿色、可持续的新方法，并为设计构建具有精确缺陷结构的多孔催化剂以及如何高效活化催化底物分子提供了新思路。