苏成勇/张利/王大为团队J. Am. Chem. Soc.：客体金属阻隔策略精准构筑单原子合金用于光热催化二氧化碳甲烷化
将二氧化碳（CO2）加氢转化为甲烷（CH4）等高附加值化学品是实现人工碳循环与缓解温室效应的重要路径。然而，传统热催化加氢路径通常需要超过200 °C和40 bar以上的苛刻条件，不仅能量消耗巨大，还易使催化剂烧结失活。近年来兴起的光热协同催化路径虽能有效降低反应温度与压力，但在温和条件下同时实现高产率与高选择性仍具挑战性。单原子合金凭借其独特的金属键合环境和可调的电子结构，展现出很好的催化潜力；然而，如何在载体上精确构筑单原子合金，并深入理解其与载体之间的协同作用，仍是该领域面临的核心科学问题。
近日，苏成勇/张利/王大为团队开发了一种“客体金属阻隔策略”，通过巧妙利用不同金属前驱体之间的氢键相互作用，对Pt、Pd等客体金属离子进行空间隔离，随后将其精准预吸附到二维卟啉金属-有机框架（2D-Ni-PCN-222）的锆氧簇节点上，再经原位还原，成功获得了一系列原子级分散、位置明确的单原子合金复合材料M1M2-SAA/2D-Ni-PCN-222（M1M2 = Pt1Ni, Pd1Ni, Pd1Co）。该策略突破了传统共还原法易导致客体金属团聚或形成无序合金的技术难题（图1）。其中，合成得到的Pt1Ni-SAA/2D-Ni-PCN-222催化剂在常压（1 atm）、150 °C和可见光照射下，CH4产率为1206.5 μmol·gcat–1·h–1（287 mmol·gPt–1·h–1），选择性超过99%，性能优于Pt单原子催化剂和Pt纳米颗粒催化剂。
图1. 合成过程示意图
机理研究表明，反应过程遵循串联路径，即2D-Ni-PCN-222上的锆氧簇首先将CO2还原为CO，随后Pt1Ni单原子合金将CO进一步氢化为CH4（图2）。光致发光光谱、原位红外光谱和动力学模拟结果显示，单原子合金的引入不仅延长了光生电子的寿命，还能通过氢溢流效应将解离的活性氢传递给锆氧簇，从而提升了CO2还原为CO的反应动力学。密度泛函理论计算进一步阐明了CO加氢为反应的决速步骤，Pt单原子从周围Ni原子获得电子后，通过反馈电子方式有效活化CO。
图2. 反应机理示意图
相关研究成果发表于Journal of the American Chemical Society期刊，中山大学化学学院为该成果的唯一完成单位，化学学院陈春应（博士后）、陈卓玓（博士研究生）、莫其洁（博士）为文章的共同第一作者，苏成勇教授、张利教授和王大为副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及广东省基础与应用基础研究基金等资助。
论文信息：Chunying Chen#, Zhuodi Chen#, Qijie Mo#, Haili Song, Mei Pan, Dai-Bin Kuang, Dawei Wang*, Li Zhang*, Cheng-Yong Su*. Photo-Thermal Cocatalytic CO2 Methanation over Single-Atom Alloy Clusters. J. Am. Chem. Soc. 2026, DOI: 10.1021/jacs.6c03975.
