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Nat Commun | 荆谱若科技质谱仪PM-QMS助力武汉大学定明月、付磊/苏州实验室丁峰团队关于具有高温稳定性的液态金属分散单原子催化剂

创建时间：2026-08-11

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https://doi.org/10.1038/s41467-026-70476-2

武汉大学定明月教授课题组于2026年3月在nature communications上发表具有高温稳定性的液态金属分散单原子催化剂（SACs）用于乙烷脱氢（EDH）的文章，IF:18.1。该工作利用液态金属固有的流动性和金属亲和力来形成高度热稳定性的单原子催化剂，该催化剂对乙烷脱氢表现出出色的热耐久性，在650℃下保持100小时以上的稳定运行，乙烯选择性达到98%。

荆谱若科技PM-QMS应用

EDH试验在固定床石英U型管反应器中常压下进行，出口气体产物通过荆谱若PM-QMS在线质谱仪进行观察。

b,c Catalytic performances at 650°C. d Long-term stability test.

在常压下，在固定床石英U管反应器中，以12.5 vol% C₂H₆的Ar为原料，在923 K条件下对非氧化EDH的催化性能进行了评价。液态金属分散SACs具有高活性，乙烷转化率为17.8%，乙烯选择性为98.3%。

因为液态金属的引入改变了Pt的状态，最大限度地利用Pt原子，从而提高转化率。在原子尺度上分散的Pt基催化剂对乙烯表现出优异的选择性，这是因为它们对烷烃中的C-H键具有优越的活化作用，同时限制了C-C键的裂解。当引入液态金属时，Pt以单原子状态存在，使得Pt SACs@Ga/ZSM-5催化剂具有高选择性。

文章内容

研究背景

单原子催化剂(SACs)因其最大限度地利用原子和高度均匀的金属配位环境而在热催化领域开发高效、可持续、低成本的催化剂而受到广泛关注。然而在工业应用中，构建高度耐热的SACs是一个巨大的挑战。这是由于单原子固有的超高表面能，高温提供了足够的能量来克服单原子的扩散障碍，导致单原子的迁移和严重的团聚。

受“相似相溶”的启发，有望利用独特的金属-金属相互作用来有效地分散活性金属，通过使用液态金属作为分散体来获得稳定的、具有固有高金属活性的单原子。在这里，利用液态金属固有的流动性和金属亲和力，实现了单原子的高效分散，在乙烷脱氢中具有前所未有的热稳定性。阐明了此类高度热稳定性SACs具有广阔的应用前景。

图文解析

在这项工作中，通过利用液态金属分散和稳定活性金属来实现热稳定的SACs。将Pt颗粒均匀地洒在液态金属上。随着温度的逐渐升高，活性金属在分散体中的溶解度进一步提高，活性金属能在其有限的溶解度内有效分散在液态金属中。Pt金属纳米颗粒中的Pt -Pt键断裂，倾向于与Ga原子紧密结合，并与Ga原子形成热力学稳定的构型，这得益于Ga与Ga之间良好的亲合力，稳定的Pt -Ga相互作用抑制了Pt单原子的烧结。

高温会加剧原子的热运动，促进Pt和Ga原子之间的快速扩散和暴露在催化表面的Pt单原子的不断更新。相比之下，当单个原子被锚定在固体载体上时，它们与载体的共迁移受到动力学约束。一旦金属-支架相互作用不足以补偿单个原子固有的高表面能，这些原子就倾向于从固体支架上分离并聚集。与此同时，一些单个原子可能会嵌入到支架的晶格中，当支架和金属原子之间的相互作用太强时，它们就会被埋没。这些导致活性位点的丧失，降低了SACs的稳定性，从而影响了它们的活性和选择性。

使用Pt₁₀作为Pt簇的模型，在923 K下进行了10 ps模拟，研究了聚簇和分散的Pt₁₀在液体Ga中的结构演变。液态Ga金属在高温下具有显著的原子扩散温度促进了非均相活性金属原子的迁移，从而稳定了它们在液态Ga中的分散原子态。10ps NVT系综模拟显示，Pt-Pt原子间距离从4.18逐渐增加到11.63Å，显著超过Pt-Pt键长2.65-2.79 Å。这明确地证实了Pt原子优先以单原子形式存在于液态Ga中。为了从基础上了解Pt在液态Ga中的单分散的热力学偏好计算证明，Ga原子打断Pt-Pt键、形成稳定Pt-Ga键的过程，热力学和动力学上均完全可行。通过分析过去10ns内所有结构中单分散和二聚Pt态的比例表明，在Pt含量为2%或以下的结构中，Pt原子在923 K时可以被认为是完全单分散的。

为验证液态金属的单原子分散能力，本研究合成了镓分散铂单原子催化剂。TEM、EDS等表征结果显示，催化剂中Pt无明显团聚，颗粒亮度均匀，且未出现Pt衍射斑点，证明材料无长程有序结构。XPS测试表明，样品经氩离子蚀刻去除表面杂质后，Ga以金属态存在；因Pt电负性更强，作为电子受体使Pt特征峰发生1.0 eV正位移，且活性金属Pt⁰得以保留，保障了单原子分布与催化活性。XRD未检测到Pt特征信号，进一步排除Pt团聚现象，同时对分布函数分析证实体系中无Pt-Pt键，证明Pt呈原子级分散。XAS表征佐证了该结论，Pt L3边缘白线强度介于Pt与PtO₂之间，EXAFS光谱仅出现Pt-Ga特征峰，无Pt-Pt、Pt-O键信号，直观证实Pt在液态镓中以稳定单原子形式均匀分散。

为验证液态金属分散单原子催化剂（SACs）的高温热稳定性，本文以乙烷脱氢（EDH）反应开展概念验证实验。传统工业Pt-Sn催化剂存在烧结、积碳失活与选择性受限等问题，而Pt SACs@Ga凭借独特优势改善了催化短板。液态金属的流体特性可让活性Pt单原子持续补充至催化剂表面，且Pt-Ga强相互作用有效抑制Pt团聚，赋予材料优异的高温自适应稳定性。

研究通过超声耦合方式将Pt SACs@Ga与ZSM-5沸石复合，有效强化气体传质效率，EDS与原位XRD表征证实液态金属均匀负载于沸石骨架，高温下Pt颗粒可完全分散为单原子状态。固定床催化测试结果显示Pt SACs@Ga/ZSM-5催化性能大幅提升，乙烷转化率由9.5%提升至17.8%，乙烯选择性达98.3%，归因于单原子形态Pt最大化原子利用率，且可精准活化C-H键、抑制C-C键断裂副反应。

动力学研究表明，该催化剂EDH反应表观活化能降低，远低于纳米Pt催化剂，证明单原子结构可显著降低反应能垒。此外，该合成策略具备普适性，拓展制备的Rh SACs同样展现出优异催化性能。耐久性测试中，催化剂连续运行100小时性能无衰减，乙烯产率稳定，且反应后结构保持完整，证实其极佳的热稳定性与结构稳定性。

文章信息

第一作者：Ziyue Zeng, Chenyang Wang

通讯作者：定明月，付磊，丁峰

通讯单位：武汉大学、苏州实验室

DOI号：10.1038/s41467-026-70476-2

Zeng Z, Wang C, Sun M, Liu D, Zhang D, He S, Liang Z, Ma Y, Zhang Y, Li L, Tian X. Liquid metal dispersed single-atom catalyst with high-temperature stability. Nature Communications. 2026 Mar 13;17(1):3918.