NML封面文章｜中科院金属所刘洪阳/孙博&重庆大学孙耿等：原子级分散Pt-Ru双原子催化剂用于低温高效催化CO氧化

Atomically Dispersed Pt-Ru Dual-Atom Catalysts for Efficient Low-Temperature CO Oxidation Reaction

Yanan Qi, Hongqiu Chen, Feng Hong, Xiangbin Cai, Zhehan Ying, Jiangyong Diao, Zhimin Jia, Jiawei Chen, Ning Wang, Shengling Xiang, Xiaowen Chen, Guodong Wen, Bo Sun*, Geng Sun*, Hongyang Liu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 172

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01997-6

本文亮点

1. 精准构筑，性能卓越：成功在富缺陷石墨烯载体上制备了原子级分散的PtRu双原子催化剂(Pt₁Ru₁/ND@G)。该催化剂在30°C的低温下，CO氧化转换频率(TOF)高达17.6 × 10⁻² s⁻¹，是相应单原子Pt催化剂(Pt₁/ND@G)活性的10倍以上，并超越了多数已报道的Pt基催化剂在相似条件下的性能。

2. 协同增效，机制明晰： Pt与Ru原子之间形成的Pt-Ru键增强了彼此的金属性，促进了CO和O₂的同时吸附与活化，将传统单原子位点上的竞争性吸附路径转变为双原子位点上的非竞争性路径，从而突破了单原子催化剂的性能瓶颈。

研究背景

一氧化碳(CO)催化氧化是探究催化剂构效关系与催化反应机理的重要模型反应，广泛应用于环境催化与新能源等领域。虽然贵金属催化剂因其高活性被广泛研究，但其高成本限制了进一步工业使用。单原子催化剂(SACs)通过最大限度地提高原子利用率，为降低贵金属催化剂的使用成本与设计原子经济性催化剂提供了理想方案。然而，单原子催化剂在需要同时活化多种反应物过程中，受限于活性位点的单一性和反应物分子之间的竞争吸附，其催化性能的提升依然面临挑战。近年来，原子级分散双原子催化剂因其能够结合单原子催化剂的高原子利用率和双活性位点的协同效应备受关注。

内容简介

针对单原子催化剂在多反应物协同催化活化反应中的局限性，中国科学院金属研究所刘洪阳研究员团队成功在纳米金刚石@石墨烯载体(ND@G)上构建了原子级分散的Pt-Ru双原子活性位点。

该研究通过像差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)和X射线吸收精细结构谱(EXAFS)等技术，直接证实了Pt-Ru双原子对的形成以及Pt-Ru键的存在。X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收近边结构谱(XANES)分析表明，Pt与Ru之间的电子相互作用提升了彼此的金属性。

这种独特的几何结构与电子特性，使得Pt₁Ru₁/ND@G催化剂能够同时、高效地吸附并活化CO和O₂分子。动力学测试结合原位红外光谱(DRIFTS)和密度泛函理论(DFT)计算揭示了其优异的催化性能源于Pt-Ru双原子位点的协同效应，该效应显著降低了反应能垒。这项工作为在原子尺度上精准设计高性能双原子催化剂提供了新思路，并展示了双原子位点在多相催化中的巨大潜力。

图文导读

I 精准表征：确认Pt-Ru双原子对结构

研究通过HAADF-STEM直接观察到了在ND@G载体上均匀分布的Pt-Ru双原子对(图1)。由于原子序数差异，Pt原子比相邻的Ru原子略亮。统计表明，超过70%的金属物种以原子对形式存在，平均原子间距约为2.53 Å，略小于Pt和Ru原子半径之和，证实了金属键的形成。

图1. Pt₁Ru₁/ND@G催化剂材料形貌与原子结构表征。

同步辐射X射线吸收光谱(XAS)研究从电子结构和配位环境角度提供了关键佐证(图2)。 X射线吸收近边结构(XANES)表明，双原子催化剂中的Pt和Ru物种相较于其单原子催化剂，氧化态下降。扩展边X射线吸收精细结构(EXAFS)谱图中，在Pt和Ru的吸收边上均观察到了区别于金属-C配位的新峰，通过拟合分析确认此为Pt-Ru配位键的信号，直接证明了双原子对中Pt-Ru键的形成，小波变换分析进一步揭示了其独特的配位环境。

图2. Pt₁Ru₁/ND@G中Pt和Ru物种的电子结构和配位环境。

II 性能卓越：低温高活性与优异稳定性

催化性能测试表明(图3)，Pt₁Ru₁/ND@G在30°C即表现出显著的CO转化活性，其TOF值(17.6 × 10⁻² s⁻¹)远超单原子Pt₁/ND@G(1.5 × 10⁻²s⁻¹)，且单原子Ru₁/ND@G在300°C以下几乎无活性。物理混合的Pt₁/ND@G与Ru₁/ND@G样品性能与单原子Pt催化剂相近，远低于双原子催化剂，凸显了Pt-Ru原子紧密相邻形成协同位点的关键作用。该催化剂在80°C下连续运行40小时活性保持稳定，并经历了三次循环测试而无明显衰减，展现了优异的耐久性。

图3. 催化性能与稳定性。

III 机理探究：协同效应促进反应物共活化

在原位DRIFTS中(图4)，Pt₁Ru₁/ND@G上观测到归属于Pt位点吸附CO的特征峰，且峰位相对于单原子Pt发生位移，表明Pt电子态改变、金属性增强。更重要的是，在随后的CO-O₂瞬态响应实验中，当对饱和吸附CO的催化剂通入O₂时，Pt₁Ru₁/ND@G上立即产生了显著的CO₂信号，而单原子催化剂上该信号非常微弱。这直接证明，Pt-Ru双原子位点能够促进吸附的CO与气相O₂发生反应，实现了对两种反应物的同步活化与高效转化。

图4. 原位红外光谱与CO-O₂瞬态响应实验。

CO-TPD(图5)显示，Pt₁Ru₁/ND@G上的CO脱附温度明显高于单原子催化剂，表明其对CO的吸附作用更强，有利于反应物富集。动力学测试进一步揭示，其表观活化能(13.2 kJ/mol)显著低于单原子Pt和Ru催化剂，这与其出色的低温活性相符。反应级数分析表明双原子位点上CO和O₂的反应级数均更低，说明其对两种反应物的吸附和活化更为高效。

图5. 原位红外光谱与CO-O₂瞬态响应实验。

这些实验证据与DFT计算结果相印证(图6)。在Pt₁Ru₁/ND@G上，CO优先吸附在金属性增强的Pt位点，而O₂则倾向于吸附在Pt-Ru桥位。双原子位的协同作用显著增强了O₂的吸附能(-1.91 eV)，同时保持了较强的CO吸附能力，使两者吸附模式从竞争转向协同。反应遵循Langmuir-Hinshelwood机理，Pt-Ru双原子位点大幅降低了CO氧化决速步骤的能垒(0.76 eV)，远低于单原子Pt(1.23 eV)和单原子Ru(1.32 eV)位点。电子结构分析表明，Pt-Ru成键导致Pt的d带中心上移，增强了其与CO分子的相互作用，从而提升了催化活性。

图6. DFT理论计算。

IV 总结

本研究成功开发了一种原子级分散的Pt₁Ru₁双原子催化剂，实现了低温下CO的高效催化氧化。该催化剂卓越的性能归因于Pt-Ru双原子对通过增强彼此的金属性和优化电子结构，实现了CO与O₂分子的共同高效吸附与活化，有效克服了单原子催化剂的竞争吸附限制。该工作不仅展示了一种简单高效的双原子催化剂制备策略，更从原子尺度揭示了双位点协同催化的作用机理，为未来设计面向复杂反应的高效、稳定原子级分散催化剂提供了新的设计思路与理论依据。

作者简介

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研究方向：

1. 开发亚纳米尺度、原子级分散金属催化剂的制备技术和催化加氢/脱氢等反应性能优化

2. 利用先进表征手段，在原子、分子水平理解亚纳米尺度金属催化剂的催化作用本质

3. 欢迎有理论计算背景的青年人才加入团队开展理论模拟研究催化作用本质

4. 与中石化、中国中化、中国华电等企业合作开展亚纳米金属催化剂在加脱氢反应、氢能储运、高端精细化学品合成等领域的工业应用

特别研究助理基本要求：

1. 化学、化工、材料物理与化学、催化相关专业，研究生学历，博士学位；

2. 有较扎实的催化材料制备、催化反应测试、催化机理研究等方面的专业理论基础及实验技能；

3. 具备较强的科研总结和论文撰写能力，第一作者发表SCI收录研究论文2 篇(含)以上，若发表高水平论文可以不受论文数量的限制。

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编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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