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JACS | 荆谱若科技质谱仪PM-QMS助力安徽师范大学李亚栋院士团队关于Ru1-O-Ce单原子催化剂用于无积碳甲烷干重整

创建时间：2026-09-20

https://doi.org/10.1021/jacs.6c02336

安徽师范大学李亚栋院士与赵国锋教授于2026年5月在Journal of the American Chemical Society上发表Ru1-O-Ce单原子催化剂用于无积碳甲烷干重整的文章，IF:16.6。该工作通过精准设计的Ru-10CeO2/Al2O3催化剂，使具备长时间的稳定性，同时无积碳的甲烷干重整反应成为可能。

荆谱若科技PM-QMS应用

CH4-D2交换脉冲实验：

为了评价各催化剂的CH4解离行为，进行了CH4-D2交换脉冲实验。证实了Ru-10CeO2/Al2O3主要通过部分解离促进甲烷的活化，而Ru/Al2O3的甲烷活化较弱，但通过更深的离解进行。与先前的观察结果一致：Ru/Al2O3显示出最低的甲烷转化率，伴随着结焦，而Ru-10CeO2/Al2O3在没有结焦的情况下实现了最高的转化率。

CH4-CO2-H2顺序脉冲反应：

为了验证催化剂上碳沉积和脱碳之间的动态平衡进行了顺序脉冲实验。证实了Ru-10CeO2/Al2O3催化剂有效结合了甲烷部分解离和CHx沉积与脱除速率之间的接近平衡，从而提高了抗焦性和稳定性。

文章内容

摘要

甲烷干重整(DRM)是二氧化碳利用和甲烷高值化的关键途径，但催化剂在恶劣条件下的结焦和烧结限制了其大规模应用。在这里，我们发现了一种具有Ru1-O-Ce位的单原子催化剂，该催化剂在40-225 Lg_cat⁻¹h⁻¹下稳定运行600h以上，没有检测到结焦。进一步将Ru1-O-Ce中心锚定在商业颗粒氧化铝上，使催化剂在750℃下保持2000h的稳定性，甲烷/二氧化碳的转化率接近热力学平衡。机理研究表明，Ru1-O-Ce中心部分解离甲烷，CHx物种与附近的O原子反应生成CHxO中间体，CO2在形成的氧空位上被有效活化，恢复Ru1-O-Ce中心。这种双功能行为使CH4和CO2的活化一致，确保了无焦炭DRM的进行，并为设计稳定、有效的甲烷重整单原子催化剂开辟了新的途径。

图文解析

围绕Ru1-O-Ce单原子活性位点开展系列物化表征。XRD 显示随负载量提升，金属Ru衍射峰逐步消失，说明氧化铈促进Ru高度分散。HAADF-STEM 与 EDS 图谱证明中无Ru纳米颗粒，Ru以孤立原子和纳米颗粒空间重叠分布。EXAFS仅检测到Ru-O信号，不存在Ru-Ru，直接证实Ru原子级分散。CO-DRIFTS 观测到单原子Ru特征双羰基吸附峰。原位拉曼中出现 689 cm^-1特征峰，还原后该峰消失，生成氧空位。H2-TPR 看到106 ℃处有特征还原峰。整套表征共同得出结论，10 wt% 氧化铈负载条件下可构建Ru1-O-Ce单原子位点，还原处理会移除桥氧生成Ru1-OV-Ce氧空位位点，Ru保持阳离子价态，不存在金属Ru团聚颗粒。

进行催化剂甲烷干重整催化性能评价。通过常压稳定性测试在40-225 Lg_cat⁻¹h⁻¹空速下稳定运行超600 h且无明显失活。10 bar高压条件下改变空速20-100 Lg_cat⁻¹h⁻¹，该单原子催化剂依旧维持 200 h以上稳定运转。催化剂在750 ℃实现 2000 h超长寿命，转化率接近热力学平衡。反应后表征证实单原子催化剂无Ru烧结团聚，热重、拉曼均未检测到积碳，纳米Ru催化剂出现明显颗粒长大与大量积碳。Ru1-O-Ce单原子位点兼具高活性、抗烧结、抗积碳能力，常压、高压、工业成型条件下均可实现长时间无积碳 DRM 反应，具备工业应用潜力。

通过同位素交换、脉冲反应、原位红外揭示积碳生成-消除平衡与反应路径。交换实验表明，生成大量部分氘代产物，计算得到的平均x值更高，证明该催化剂只发生甲烷部分解离，而Ru纳米颗粒会发生甲烷深度裂解，倾向于生成积碳。顺序脉冲实验证实可以实现碳沉积与碳消除动态平衡。原位CH4-DRIFTS对比两种催化剂，甲酸盐中间体信号，被位点附近氧快速氧化。Ru1-O-Ce位点抑制甲烷深度裂解，优先发生部分解离；可以高效活化、氧化中间体生成含氧中间体再转化为合成气，达成碳沉积-消除动态平衡，从动力学根源上抑制积碳。

采用DFT理论计算解析本征抗积碳电子与反应能垒机制。单原子Ru带+1.41 |e|正电荷，呈缺电子阳离子状态，与表征实验结果互相印证。甲烷深度脱氢生成碳物种的能垒很高，而氧化路径、含氧中间体各步能垒更低，热力学上更有利，解释原位红外观测到含氧中间体的现象。在氧空位位点活化，解离吸附能垒0.90 eV，释放O原子重新修复原始位点，完成位点循环。阳离子态单原子Ru改变甲烷反应路径，抬高深度裂解生成积碳碳物种的能垒，导向CHxO氧化中间体路径，氧空位可以高效活化实现活性位点再生。理论层面阐明双功能Ru1-O-Ce/Ru1−OV−Ce位点同步活化与无积碳DRM的微观机理。

文章信息

第一作者：司家奇

通讯作者：李亚栋、赵国锋

通讯单位：安徽师范大学

DOI号：10.1021/jacs.6c02336

Si J, Huang M, Zhang X, et al. Discovery of a Robust Ru1–O–Ce Single Atom Catalyst for Coke-Free Dry Reforming of Methane. Journal of the American Chemical Society, 2026, 148(21): 21737-21745.