第一作者：方杨飞（学生），韩新宇（学生），刘凯杰副研究员
通讯作者：刘凯杰副研究员，张一波研究员，廖伍平研究员
通讯单位：中国科学院赣江创新研究院（中国科学技术大学稀土学院）
论文doi：10.1038/s41557-025-02062-w
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实现惰性低碳烷烃在低温下的高效活化与转化，是催化领域长期面临的一项重大挑战。尽管单原子催化剂（sacs）能够最大化贵金属利用率，但其单一功能位点难以高效驱动涉及多步骤的复杂反应；另一方面，即便构建多金属活性中心，在传统热催化范式下也难以从根本上突破惰性分子活化的热力学瓶颈，实现真正的（超）低温催化。
针对这一难题，中国科学院赣江创新研究院（中国科学技术大学稀土学院）的廖伍平、张一波和刘凯杰团队，创新性地将前沿的“电流辅助催化”策略与精准的双原子催化剂设计深度耦合，构筑了一种高效的pt-nb双原子电-热催化体系。该体系在极低的温度下（t90=192°c）即可实现丙烷的完全燃烧，展现出创纪录的催化活性（tof@220°c = 27.67×10-3 s-1），同时兼具卓越的抗水性能和长期稳定性。更重要的是，该策略在提升活性的同时，可将贵金属pt的用量降低超过80%，并在同活性下节省超过90%的能耗，展现出巨大的工业应用潜力。
该研究是张一波和刘凯杰团队在电流辅助催化领域的又一重要突破。继前期在nature communications（2024, 15: 6688）, the innovation（2025, 6: 100804）, advanced functional materials（2025: e19202）等期刊上系统揭示了电流辅助策略的巨大潜力后，本研究深入到更具挑战的惰性c-h键活化领域，通过催化剂结构与外部能量场的精准耦合，揭示并验证了全新的“电流辅助原子接力”协同机制（current-assisted atomic-relay），实现了从“现象观察”到“本质调控”的重大跨越，为电流辅助催化的实际应用奠定了关键理论基础。
挥发性有机化合物（vocs）是形成雾霾和臭氧污染的关键前体物，对其进行有效治理是大气环保的重中之重。其中，丙烷作为一种典型的低碳烷烃，因其c-h键能高、化学性质稳定，在低温下的活化和降解极具挑战性。催化燃烧因其处理彻底、二次污染少，被视为最具潜力的vocs消除手段之一。
长期以来，pt基催化剂凭借其优异的c-h键活化能力，在该领域占据主导地位。然而，高昂的成本和低温活性不足限制了其大规模应用。近年来，单原子催化剂（sacs）以其极致的原子利用率备受关注，但其单一的活性位点在面对丙烷燃烧这类复杂的多步反应时，往往显得“力不从心”，难以同时满足底物活化、中间体转化和产物脱附等多种需求。在此基础上，引入第二种金属构建双原子催化剂（dacs），通过位点协同效应来优化催化性能，成为新的研究热点。
然而，仅仅依靠催化剂结构优化设计，仍难以突破传统热催化模式下的低温壁垒。实验证明，即使是精心设计的双原子催化剂，在传统加热模式下，其低温活性提升也相对有限。引入新的能量形式，从根本上改变反应路径、降低反应能垒，成为了新的突破点；电流辅助催化（current-assisted catalysis）作为一种绿色、高效、易于调控的新型催化策略，为解决这一难题提供了颠覆性的思路。然而，目前对于活性位点构型与外场活化机制之间内在耦合关系的认知仍显不足。本工作旨在探索一个关键科学问题：能否将最精准的催化剂结构与最有效的活化策略进行深度耦合，如同“钥匙与锁”般完美匹配，从而实现单独使用任何一种技术都无法企及的催化效果，并最终实现惰性烷烃的超低温高效燃烧？
电-热深度耦合揭示了催化剂与辅助电流协同的本质。本研究的核心在于揭示了催化剂微观结构与外部辅助电流之间深刻的内在耦合关系。研究清晰地指出，实现超低温催化活性的关键，并非仅仅依赖先进的双原子催化剂本身，也不是简单地施加电流，必须深度耦合才能实现“1 1>>2”的协同增效。pt1与nb1位点的空间邻近性是基础，电流通过电子剪刀效应削弱pt-o键，极大地促进了晶格氧的流动；而电流辅助nb位点则利用其空d轨道促进c-h键断裂。这种电流辅助-双位点邻近缺一不可的严苛匹配，精准解决了丙烷低温活化难和氧循环受阻的双重瓶颈。
证实了电流辅助催化的结构特异性。为证实上述耦合的特异性，研究团队系统地构建了一系列对照催化剂。实验结果清晰地证明，无论是随机分散的pt/nb位点、团聚的pt纳米颗粒、不适宜的nb含量，还是物理混合导致形成的pt-nb过远间距位点，其催化活性在电流辅助下均远逊于精准构筑的pt-nb双原子催化剂。这首次在实验上清晰地揭示了催化剂微观结构与电流辅助策略之间的精准匹配关系，为电流辅助催化剂的理性设计提供了关键指导。
新型电流辅助原子接力机制，实现催化燃烧全流程分步助推。不同于传统催化仅针对决速步进行优化，本工作提出的电流辅助原子接力机制对反应的全流程进行了分步增强，实现电流辅助下的原子级协作。电流辅助的nb1位点负责反应物分子丙烷c-h键活化和产物co2脱附；而受电流活化的pt1位点则负责反应的中间环节（晶格氧活化与深度氧化），提供源源不断的活性氧物种。整个过程中，外在辅助的电流如同双原子催化体系这台“机器”的“燃料”。这种分工明确、环环相扣的接力模式，使得反应路径上的每一个能垒都被有效降低，从而实现了超低温下丙烷的高效转化。
兼顾高效、节能、环保与经济的突破性催化性能与应用潜力。该电流辅助双原子体系实现了丙烷催化燃烧性能的重大突破：t90低至192°c，220°c下的tof值高达27.67×10-3 s-1，远超文献报道。更具应用价值的是，该策略可将贵金属pt用量降低80%以上，在同等活性下节省超过90%的能耗，并对多种污染物气体分子催化燃烧具有普适性，为vocs治理提供了一条兼具高效、节能、环保与经济的全新技术路线。
图1. pt-nb/ato双原子催化剂的精细结构与位点状态分析。(a, b) haadf-stem图像与eds元素分布图；(c) 原位co-drifts光谱；(d)原子级物相与局域结构图；(e) z-衬度强度曲线；(f) pt1-nb1位点原子模型；(g) 形成能dft计算；(h-j) pt l3边xas谱图；(k-m) nb k边xas谱图。
通过一系列结构表征，研究团队从多个维度验证了催化剂的pt1-nb1异核双原子构型。haadf-stem与eds mapping直观地展示了pt和nb物种在原子尺度上的均匀分散。原位co-drifts光谱中仅出现归属于ptδ -co的线性吸附峰，而无桥式吸附峰，证实了pt的单原子存在状态。同时，双球差校正电镜和tof-sims分别从原子排布（sn-pt-nb-sn序列）和特征碎片离子（[pt-o-nb]-）两个层面，揭示了pt与nb原子在空间上的紧密相邻关系。xas谱图分析则从配位环境角度提供了决定性证据，拟合结果显示pt和nb均以单原子形式存在，且存在pt-nb配位路径。此外，dft计算表明，形成pt1-nb1原子对在热力学上是放热过程，解释了该结构能够在合成过程中稳定形成的原因。
图2. 电流辅助策略下催化剂突破性的丙烷燃烧性能。(a) 电流辅助反应系统示意图；(b) 传统热催化与电流辅助催化活性对比；(c) 电流增强催化(ecc)效应的定量分解；(d) 不同pt负载量催化剂的t90对比；(e) 抗水性能测试；(f) 对其他vocs（甲苯、丙烯）的催化活性；(g) 与已报道催化剂的性能比较；(h, i) 长期稳定性测试。
图2展示了电流辅助（ca）策略带来的颠覆性催化效果。与传统热催化相比，ca策略使得pt1-nb1/ato催化剂的丙烷燃烧活性大幅提升，t90从320°c急剧降低至192°c。值得强调的是，即便是这种精心设计的双原子催化剂，在传统热催化模式下其t90仍高达320°c，表明单纯的催化剂结构优化设计本身并不足以实现超低温燃烧。只有与电流辅助策略深度耦合后，其潜力才被完全释放。通过定量分解发现，这种巨大的活性提升主要归功于电流的非热（电）效应（ecc）。尤为关键的是，ca策略的应用使得仅含1 wt% pt的催化剂活性远超5 wt% pt的传统热催化剂，实现了超过80%的贵金属减量。此外，该催化体系在ca模式下表现出优异的抗水、抗硫能力和超过500小时的超长运行稳定性，其tof和t50值均优于已报道的绝大多数催化剂，展现了巨大的实际应用潜力。
图3. 活性位点构型对电流辅助催化性能的影响。(a) 不同催化剂位点状态示意图；(b) 不同构型催化剂的电流辅助催化活性；(c) exafs配位数对比；(d) 3%ptn-nb1/ato的haadf-stem图；(e) pt1-3%nb/ato的haadf-stem图；(f) pt1-3%nbn/ato的haadf-stem图；(g, h) pt1&nb1/ato-10/50的haadf-stem图。
为证明紧邻的pt1-nb1双原子构型是发挥电流辅助催化优势的关键，研究团队通过一系列对照实验，系统考察了不同活性位点构型的影响。实验结果清晰表明：无论是通过顺序浸渍法制备的随机分散的pt和nb位点催化剂，还是负载了pt纳米颗粒的催化剂，亦或是含nb团簇/纳米颗粒的样品，以及通过物理混合法制备的pt/nb位点间距过大的催化剂（不同间距），其在电流辅助下的催化活性均远逊于精准构筑的pt1-nb1/ato。这一系列对比实验无可辩驳地证明，pt1-nb1双原子位点（锁）与电流辅助策略（钥）之间存在着深刻的锁-钥匹配关系，只有二者完美耦合，才能解锁超低温丙烷燃烧的超高活性。
图4. 电流辅助策略在催化过程中的作用：反应路径与动力学解析。(a-c) 电流辅助原位drifts装置与实验条件；(d, e) 原位drifts谱图对比；(f) arrhenius动力学曲线；(g-i) c3h8-tpsr谱图对比。
该部分深入探究了电流如何改变反应进程。通过电流辅助原位drifts装置，直接观察到电流能够显著加速关键中间产物的生成与转化。arrhenius动力学分析给出了最直接的证据：电流辅助策略将反应的表观活化能（ea）从108.9 kj/mol骤降至41.2 kj/mol，从根本上改变了反应能垒。c3h8-tpsr实验结果表明，在电流辅助下，由晶格氧参与反应生成h2o和co2的起始温度骤降至42和35°c。这一现象表明电流能够在极低的温度下高效激活并调动催化剂的晶格氧，这是实现低温燃烧的关键原因。
图5. 电流辅助下pt1和nb1位点的微观作用机制。(a, b) h2-tpr谱图对比；(c, d) 同位素氧交换(ioe)测试；(e) 原位xps装置示意图；(f) 电流辅助原位xps谱图；(g) c3h8-tpsr中的h2o信号；(h) dft计算的c-h键解离能垒；(i) co2-tpd谱图。
电流辅助下pt1和nb1位点的微观作用机制研究清晰地剖析了pt1和nb1位点的催化过程分工。一方面，h2-tpr和同位素氧交换（ioe）实验证实了电流能显著增强催化剂的氧化能力和晶格氧迁移率（18o交换起始温度从381°c降至78°c）。电流辅助原位xps揭示了在模拟电流作用下，电子倾向于在pt原子周围富集，导致pt 4f结合能发生高达0.95 ev的负移，这种电子富集效应削弱了pt-o键（电子剪刀效应），从而激活了晶格氧。另一方面，nh3-tpd、c3h8-tpsr和dft计算共同表明，电流辅助下的nb位点作为路易斯酸性中心，负责高效活化惰性的丙烷c-h键（降低能垒），并促进产物co2的脱附。
图6. dft计算揭示电子结构变化及协同电流辅助-原子接力催化机理模型。(a-c) 不同条件下pt1-nb1位点的优化结构模型；(d-f)相应的投影电子态密度图；(g) pt-o键长与能带结构参数；(h)电流辅助原子接力催化机制示意图与应用展望。
dft计算为实验结果提供了坚实的理论支撑。计算结果表明，在模拟电流（电场和电荷注入）作用下，pt-o键被显著拉长，其投影态密度（pdos）显示pt 5d带中心向费米能级移动，o 2p-pt 5d轨道间的电子跃迁能垒降低，导致pt-o化学键的削弱和晶格氧活性的提升，与实验结果完美呼应。基于以上所有实验和理论证据，本工作最终提出了清晰的电流辅助原子接力（current-assisted atomic relay）催化机制，电流辅助的nb1位点作为酸中心，负责丙烷的吸附与c-h键断裂；电流辅助使得电子向pt1位点聚集，导致pt d带中心上移，pt-o键拉长并活化，源源不断地泵送高活性晶格氧至反应界面；电流辅助下生成的中间体被快速深度氧化，最终产物co2在nb1位点上实现低能垒脱附，完成低温下快速循环。这种分工明确、环环相扣的接力机制，巧妙地将电流的活化作用与双原子位点的本征特性结合，实现了对丙烷低温燃烧全流程的分步助推，高效地驱动了整个丙烷催化燃烧过程，具有较强的普适性和经济性。
本研究成功地设计并构筑了一种高效、稳定且经济的电流辅助pt1-nb1双原子催化体系，在极具挑战性的低温丙烷催化燃烧反应中取得了突破性进展。研究的核心创新在于，通过将精准的催化剂结构设计与新型电流辅助催化策略进行深度耦合，实现了“1 1>>2”的协同增强效应。本研究明确指出，实现超低温催化活性的关键既不在于双原子催化剂本身的引入，也不在于单纯的电流辅助作用，而在于二者之间必须形成结构特异且紧密协同的深度耦合。
研究首次提出的“电流辅助原子接力”机理，不仅深刻揭示了异核双原子位点在电流驱动下如何协同作用、分步促进复杂催化反应，也为理解和设计新型电热协同催化体系提供了全新的理论框架。该工作所展示的优异催化性能、显著的贵金属减量和节能效果，预示着电流辅助催化策略在工业vocs治理、节能减排等领域拥有广阔的应用前景。这为未来催化剂向绿色化、电气化和智能化方向发展，乃至助力实现“碳中和”目标，提供了一条极具潜力的可靠路径。
yangfei fang, xinyu han, kaijie liu*, zhaoxu yuan, yannan li, songyun tao, zeshu zhang, cheng rao, qi fu, guan peng, xiangguang yang, dingsheng wang, yibo zhang*, wuping liao*, current-assisted dual-atom catalyst sequentially boosts low-temperature propane combustion through atomic relay, nature chemistry, 2026. doi: 10.1038/s41557-025-02062-w
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-025-02062-w
廖伍平：中国科学院赣江创新研究院研究员，博士生导师，副院长。首批国家基金委优秀青年科学基金获得者、国家高层次科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、吉林省拔尖创新人才人选。现任中国稀土学会理事，中国科学院放射化学专家委员会委员。主要从事稀土化学研究。主持973课题、国家重点研发项目课题、国家优青、国家基金委重大研究计划培育项目、中科院战略性先导科技专项课题、吉林省、四川省和山东省科技项目、企业委托项目等10多项研究课题，取得了多项原创性成果，开发了多个新型稀土萃取剂，开发了核纯钍连续萃取分离流程，开发了新型高丰度钇元素分离萃取剂，将从根本上解决南方离子型稀土资源面临的环烷酸萃取工艺的问题。迄今，已在nature chemistry、the innovation、jacs、angew. chem. int. ed.等学术期刊上发表论文一百余篇，获中国发明专利授权二十余项。2017年获中国稀土科学技术奖一等奖（排名第一）。
张一波：中国科学院赣江创新研究院研究员，博士生导师。中国科学院青年创新促进会会员，中国化学会高级会员，江西省杰青、江西省“双千计划”（青年）获得者。现任中国稀土学会稀土催化、稀土晶体专业委员会委员、中国环境科学学会挥发性有机物污染防治专业委员会常委。期刊the innovation、《稀土》和《无机盐工业》青年编委，the innovation-materials学术编辑。主要从事稀土催化研究。针对国家环保和稀土资源高值化利用的重大需求，致力于高效稀土催化材料的精准设计与反应机理研究，从微观层面上揭示作用机制及构效关系，以解决实际应用出现的关键科学问题及技术难题。主要成果如下：（1）将外场（电流，光，磁场等）引入能源环境催化领域，并揭示出外场增效内在机制；（2）针对汽车尾气高排放标准要求，提出了贵金属减量和抗烧结的稀土催化剂制备策略；（3）面向燃煤锅炉烟气净化绿色脱硝催化剂和国家环保需要，开发出了非钒基环保高效铈基稀土脱硝催化剂产业化技术，并已在多个燃煤锅炉烟气脱硝工程实现推广应用。作为负责人主持国家重点研发项目子课题、国家自然科学基金（面上，青年）、中科院院重点部署子课题等项目。在nature chemistry、the innovation、nature commun.、environ. sci. technol.、appl. catal. b等刊物发表论文70余篇，授权发明专利十余项。
刘凯杰：男，1994年生，工学博士，中国科学院赣江创新研究院副研究员，硕士生导师，江西省“赣鄱俊才支持计划”获得者。主要研究方向紧扣国家节能环保与资源利用的重大需求，聚焦于冶金工业烟气减污降碳与资源化利用的催化体系研究。主持国家自然科学基金、江西省重点研发计划-重点项目、江西省赣鄱俊才支持计划、江西省自然科学基金等项目。以第一/通讯作者在nature chemistry、nature communications、the innovation、advanced functional materials，environmental science & technology，applied catalysis b: environment and energy等期刊发表sci论文30余篇，其中1‰ esi热点论文4篇、esi高被引论文5篇，长期担任nature communications、advanced functional materials、environmental science & technology、applied catalysis b: environment and energy、acs catalysis、aiche等期刊审稿人。
课题组网址：https://www.x-mol.com/groups/rare-earth-catalysis
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