共同第一作者：李钧天，许智玲
通讯作者：敖志敏 教授
通讯单位：北京师范大学
论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125943
近日，北京师范大学未来技术学院/环境与生态前沿交叉研究院环境表界面行为研究中心团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》期刊上发表了一篇题为“Electronic cooperativity in MOF-confined single-atom alloys: A DFT-guided strategy for dual-functional catalysis towards simultaneous VOCs oxidation and CO resistance”的研究论文。该研究通过密度泛函理论（DFT）计算指导下的原子工程策略，成功开发出金属有机框架（MOFs）负载的Au-Pt单原子合金（SAAs）催化剂。该催化剂在160 °C低温条件下即可实现90%甲苯转化率，且具有卓越的CO抗性和稳定性，解决了传统催化剂在低温下无法同时高效氧化VOCs和抵抗CO毒化的关键技术难题。
挥发性有机化合物（VOCs）和一氧化碳（CO）是大气污染的重要前体物，它们协同作用形成光化学烟雾和PM2.5/O3污染。然而，在工业实际应用中，这两类污染物的协同去除一直存在巨大挑战。现有催化剂包括先进的混合氧化物需要在高温条件下才能完全氧化含有高浓度CO的甲苯。目前难以在较低温下实现VOCs+CO协同去除的根本问题在于：强吸附位点对于VOCs活化至关重要，然而无差别地增强催化剂的吸附能力会使得活性中心不可避免地过强吸附CO，从而阻塞活性位点导致催化活性的快速下降以及催化剂的快速失活。目前尚无催化剂能在较低温度（<200°C）下同时实现高VOCs转化率和CO抗性。针对这一难题，单原子合金的双功能活性中心提供了有前景的解决思路。
1. 研究团队采用DFT指导系统筛选了多种M-Pt SAAs体系。
2. 利用UiO-66的配位限域效应稳定Au-Pt SAAs，并实现了催化剂形貌从Au shell-Pt core向Au-Pt SAAs的调控。
3. 通过界面电子转移诱导产生电荷极化效应，同时实现了CO吸附削弱和甲苯活化增强的双重功能。
图1 催化剂设计原理示意图。
本研究通过理论计算筛选了多种SAAs，并使用电化学置换法制备了Au-Pt SAAs/UiO-66催化剂。相较于Pt/UiO-66，得益于Au-Pt SAAs/UiO-66双功能活性中心，该催化剂可以通过双路径活化Langmuir-Hinshelwood（L-H）和Eley-Rideal（E-R）提升甲苯的催化活性，还可以同时提高对CO的抗性。
图2 理论计算筛选单原子合金。（a）理论模型示意图；（b-d）D带中心计算，CO及甲苯吸附能计算，O2吸附能计算。
通过计算形成能、D带中心和吸附能，评估了多种M-Pt单原子合金体系的稳定性和催化活性。并确认Au-Pt SAAs具有强甲苯吸附能力（用于高效VOCs氧化）和弱CO吸附能力（避免催化剂中毒）。
图3 材料的形貌及电学性质表征。（a-c）Pt/UiO-66的形貌；（d-e）Au-Pt SAAs/UiO-66的形貌结构；（g）XPS表征；（h-i）同步辐射表征。
球差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（AC-HAADF-STEM）、透射电子显微镜（TEM）和元素分析表明，Au-Pt SAAs/UiO-66的金原子散布在Pt纳米颗粒上，同时清楚地显示了Au-Pt SAAs的原子结构。X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）分析揭示了电子结构演变和界面电荷动力学：Au 4f结合能正移（+1.2 eV）与Pt白线强度降低之间存在明显的反比关系，为界面电子从Au单原子转移到Pt团簇提供了直接证据。
图4 甲苯的催化性能及稳定性测试。（a-b）催化性能；（c-d）循环性及稳定性测试；（e）转化频率曲线；（f-g）甲苯及甲苯+CO的催化性能对比；（h-i）甲苯+CO的原位红外光谱图。
Au-Pt SAAs/UiO-66表现出优异的催化性质、优异的稳定性和强大的抗CO毒化能力。Au-Pt SAAs/UiO-66在160 °C即可实现90%甲苯转化率，比Pt/UiO-66（186 °C）显著降低。同时表现出比Pt/UiO-66高4.7倍的转换频率。在模拟工业条件（500ppm甲苯+1%CO）下，Au-Pt SAAs/UiO-66保持稳定的催化性能。
图5 甲苯降解路径探究。（a-b）原位红外光谱；（c-e）质子转移反应飞行时间质谱及降解路径示意图。
原位漫反射红外傅里叶变换光谱（in-situ DRIFTS）和质子转移反应飞行时间质谱（PTR-TOF-MS）分析揭示了反应中间体的变化。研究表明，甲苯氧化反应遵循以下路径：甲苯→苯甲醇→苯甲醛→苯甲酸→马来酸酐→CO2+H2O。
图6~7 过渡态搜索及反应能计算。
过渡态搜索揭示了甲苯转化为苯甲醇的反应路径，同时反应能计算表明Au-Pt SAAs/UiO-66同时遵循L-H+E-R双路径机制。
本研究通过DFT理论计算指导实验设计的创新研究方法，成功开发出具有电子协同效应的Au-Pt SAAs催化剂，解决了低温下VOCs氧化与CO抗性难以兼得的关键难题。这项研究建立的DFT指导催化剂开发解决了低温VOCs氧化和CO抗性工业化应用难题。通过调整D带中心和吸附能，该策略能够精确定制抗毒功能——包括SO2耐受性（通过S-O键削弱）、H2O抗性（通过疏水位点工程）和Cl耐久性（通过Cl-排斥场实现）。
Electronic cooperativity in MOF-confined single-atom alloys: A DFT-guided strategy for dual-functional catalysis towards simultaneous VOCs oxidation and CO resistance
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125943
第一作者：李钧天，2023级博士生，现就读于北京师范大学未来技术学院/环境与生态前沿交叉研究院，主要从事环境催化材料开发及VOCs催化氧化研究，发表SCI论文7篇，其中以第一/共同第一作者在Appl. Catal. B, Chem. Eng. J., Mater. Today Chem.上发表3篇，申请国家发明专利4项，授权国家发明专利1项。
共同第一作者：许智玲，安徽大学化学与化工学院讲师，硕士生导师。
通讯作者：敖志敏，北京师范大学未来技术学院/环境与生态前沿交叉研究院教授、博士生导师，国家高层次青年人才、国际先进材料学会（FIAAM，瑞典）“会士”、Environmental Surfaces and Interfaces 期刊主编。研究领域涉及环境污染控制表界面过程、环境理论化学、持久性/挥发性有机污染物、环境催化剂开发、催化机理研究、过硫酸盐基高级氧化过程、光催化等。以第一或通讯作者发表SCI论文130余篇、共入选ESI高被引论文30余篇、所发表的论文SCI引用18800余次（WoS）、H因子77。入选2023科睿唯安全球高被引科学家、中国化学快报环境化学青年科学家奖等。
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