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。2026年1月26日，该研究成果以“Current-assisted dual-atom catalyst sequentially boosts low-temperature propane combustion through atomic relay”为题，发表在Nature Chemistry期刊上。

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，该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。该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？

研究亮点

电-热深度耦合揭示了催化剂与辅助电流协同的本质。该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。

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%Pt_n-Nb₁/ATO的HAADF-STEM图；(e) Pt₁-3%Nb/ATO的HAADF-STEM图；(f) Pt₁-3%Nb_n/ATO的HAADF-STEM图；(g, h) Pt₁&Nb₁/ATO-10/50的HAADF-STEM图。

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。

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。

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。

总结与展望

研究组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。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-025-02062-w