一氧化碳（CO）催化氧化是探究催化剂构效关系与反应机理的重要模型反应，在环境催化与新能源等领域应用广泛。贵金属催化剂虽然具有较高催化活性，但其成本高昂，限制了工业规模化应用。单原子催化剂（SACs）通过最大限度提高原子利用率，为实现贵金属催化剂的低成本构筑与原子经济性设计提供了理想途径。然而，在需要同时活化多种反应物的过程中，单原子催化剂由于活性位点单一，且不同反应物分子间存在竞争吸附，其催化性能的提升依然面临挑战。近年来，原子级分散的双原子金属催化剂因其兼具高金属原子利用率与双活性中心位点的协同效应，受到研究者的广泛关注。
近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心刘洪阳研究员、孙博研究员和博士研究生祁亚楠与重庆大学孙耿副教授等团队合作，成功在富缺陷石墨烯载体（ND@G）上构建了原子级分散的Pt-Ru双原子催化剂（Pt1Ru1/ND@G），实现了低温下一氧化碳（CO）的高效催化氧化。该成果以封面形式发表于期刊《Nano-Micro Letters》，为设计高性能原子级分散金属催化剂提供了新思路。
研究团队通过简单的共浸渍方法，成功构筑了锚定在表面C缺陷上的Pt-Ru双原子对活性位点。通过高角环形暗场扫描透射电镜和X射线吸收谱等表征手段（图1），研究直接观测并证实了Pt-Ru双原子对的形成及Pt-Ru键的存在。电子结构分析表明，Pt与Ru原子之间的键合作用增强了彼此的金属性，从而协同促进了CO和O2的吸附与活化。该催化剂在30℃的低温条件下，CO氧化转换频率（TOF）高达17.6 × 10-2 s-1，是相应单原子Pt催化剂的10倍以上，且性能优于多数已报道的Pt基催化剂（图2）。该催化剂在80℃下连续运行40小时仍保持活性稳定，展现了良好的耐久性。结合原位红外光谱、瞬态响应等表征手段，揭示了Pt-Ru双原子位点的协同催化机理。在Pt1Ru1/ND@G上，Pt与Ru原子间通过成键产生了强烈的电子相互作用，使两者的电子态密度增加，金属性增强。理论计算进一步表明（图3），CO分子更倾向于吸附在金属性增强的Pt原子上，而O2分子则优先吸附在Pt-Ru双原子构成的桥式位点上。这种协同作用显著增强了O2的吸附与活化能力，同时将CO氧化决速步骤的能垒从单原子Pt催化剂的1.23 eV大幅降低至0.76 eV，从而在动力学上极大地促进了低温反应速率。图4为Pt1Ru1/ND@G上催化CO氧化反应的示意图。该工作不仅开发了一种高效双原子金属催化剂的制备策略，更从原子尺度揭示了双原子位点协同催化机理，为面向“双碳”目标设计高效、稳定的原子级分散金属催化剂提供了新的设计思路。
以上工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家高层次人才项目、中国科学院引进人才计划项目、中国科学院大科学装置建制化项目与中国石化、中国中化等企业合作项目提供的支持，以及上海同步辐射光源、北京同步辐射光源的大力支持。
图1.催化剂结构表征。（a-b）, （d-f）HAADF-STEM图像，（c）线性强度分析，（g）原子间距统计，(h) 紫外可见光谱。
图2. CO催化氧化性能。（a）反应活性，（b）Pt基催化剂性能对比，（c）长时间稳定性，（d）循环稳定性。
图3. DFT理论计算。（a-c）催化剂结构模型，（d）Pt1Ru1/NDG上CO氧化反应路径，（e）d带中心。
图4. Pt1Ru1/ND@G催化CO氧化反应示意图
论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01997-6
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