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》（https://doi.org/10.1007/s40820-025-01997-6），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。

AI读进展——当“单打独斗”变成“双人舞”：中国学者让一氧化碳在常温下“乖乖消失”的秘密

想象一下，在寒冷的冬天早晨，汽车排出的尾气中，有一种看不见的有毒气体——一氧化碳（CO）。传统的净化器需要高温“烘烤”才能把它变成无毒的二氧化碳，这个过程既耗能又昂贵。但现在，中国科学院金属研究所刘洪阳团队发明了一种神奇的“催化剂”，就像一位技艺高超的“低温魔术师”，能让这个反应在接近室温的凉爽环境下高效完成。

这个魔术的核心，不是单一的魔法师，而是一对配合天衣无缝的“双子星”舞者。

一、从“天价单兵”到“高效双人组”

过去，我们依赖铂（Pt）、钯（Pd）等贵金属做催化剂，它们就像身价高昂的“超级英雄”，能独自活化CO和氧气（O₂）。但英雄成本太高，且容易“忙不过来”——CO和O₂在同一个位点上竞争，反而降低了效率。

后来，科学家发明了“单原子催化剂”，把贵金属拆成一个一个的原子使用，极大节约了成本。但这就像让一个士兵同时接收两项指令，在需要CO和O₂协同作战的复杂反应中，往往力不从心。

中国科学院金属研究所和重庆大学的研究团队，想到了一个绝妙的主意：为什么不派一对“默契搭档”上场呢？ 他们成功地将一个铂（Pt）原子和一个钌（Ru）原子，以精确的“手拉手”（形成化学键）的方式，锚定在一种特制的多孔石墨烯材料上，创造了Pt-Ru双原子催化剂。

二、极致分工：“一个管抓，一个管拆”

通过世界上最先进的显微镜和光谱“眼睛”，科学家不仅看到了这对原子搭档真实存在，更揭示了他们高效合作的秘密：

1. 电子共享，能力升级：Pt和Ru原子通过成键，共享电子，两者都变得更具“金属性”，就像战士获得了更强的能量光环，整体战斗力飙升。

2. 精准分工，完美协同：

o Pt原子（好比“抓捕手”）：凭借升级后的特性，对CO分子的吸附力大大增强，能牢牢将其“锁”在身边。

o Pt-Ru双位点（好比“拆解平台”）：两者构成的独特桥型结构，是O₂分子的最爱落脚点。在这里，O₂的化学键被显著削弱，处于一触即断的“激活”状态。

这就像一场精准的化学舞蹈：Pt牢牢握住CO，而Pt-Ru桥位则稳稳固定并弱化了O₂。两者近在咫尺，反应变得无比容易。

三、性能飞跃：从“爬陡坡”到“走缓坡”

这种“1+1>2”的协同效应，带来了惊人的性能提升：

· 低温高效：在仅30°C（接近室温）的条件下，其催化效率是传统单原子铂催化剂的10倍以上，创造了同类催化剂的新纪录。

· 能耗骤降：理论计算显示，反应最难突破的“能量山头”（能垒），从单原子催化剂的1.23 eV 陡崖，被削成了平缓的 0.76 eV 山坡。这意味着反应所需的能量门槛大幅降低。

· 持久稳定：在80°C下连续工作40小时，性能没有丝毫衰减，展现了强大的实用性潜力。

四、未来启示：为“双碳”目标定制的原子级设计

这项发表于《微纳快报》的封面研究，其意义远不止于发明了一种优秀的CO净化材料。它更向我们展示了一种新型设计理念：

在原子尺度上，通过精心设计“双人舞”甚至“多人舞”的催化中心，可以实现反应物的最优分配与活化，从而以最低的能耗、最高的效率完成化学转化。

这为面向“碳中和”与“碳达峰”目标，开发新一代高效、节能、低成本的工业催化剂（如用于氢能汽车、碳资源转化等）提供了清晰的原子级蓝图。未来，我们或许可以像搭积木一样，设计出各种功能的“原子搭档”，让化学反应变得更加精准、绿色和经济。

结语：从孤独的“超级英雄”，到分工明确的“单原子”，再到如今默契无比的“双原子舞者”，人类对催化世界的探索不断步入更深、更精妙的层次。这项研究让我们看到，在肉眼无法窥见的原子世界里，一场完美的协同，足以释放出改变我们现实世界的巨大能量。

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