四川
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近日，上海交通大學賀玉蓮團隊在 Carbon Neutrality 上發表研究，揭示了氣體預處理對 CuOx/CeO2界面結構的調控機制。還原氣氛誘導生成的低配位 Cu+及非對稱氧空位，使 CO 氧化活性提升一倍，為高效非貴金屬催化劑設計提供了新思路。
文章亮點
1. 創新調控策略：提出利用氣體氣氛（氧化/反應/還原）原位誘導調控 CuOx/CeO2界面微環境的策略，規避了傳統合成方法的復雜性。
2. 性能顯著提升：發現還原預處理（Reduction）能使催化劑的本征轉換頻率（TOF）較氧化態提升一倍，顯著降低反應活化能。
3. 活性位點解碼：結合原位拉曼與 XAFS 技術，首次確認低配位Cu+物種與非對稱界面氧空位（Cu+-Ov-Ce3+）是高活性的關鍵來源。
4. 構效關系確立：建立了界面活性物種濃度與反應速率之間的定量線性關系，揭示了 Mars-van Krevelen 機理下的決速步本質。
內容簡介
一氧化碳（CO）不僅是主要的空氣污染物，也是燃料電池毒化和碳循環過程中的關鍵分子。高效、低成本的 CO 氧化催化劑開發對于環境治理和能源轉化（碳中和）至關重要。銅鈰（CuOx/CeO2）催化劑因其獨特的界面氧化還原特性，被視為貴金屬的最佳替代者。然而，關于其“真正活性位點”是分散團簇還是界面空位，學界長期爭論不休。
針對這一科學難題，上海交通大學賀玉蓮副教授團隊另辟蹊徑，不再單純依賴合成手段，而是利用“氣體誘導”策略，系統研究了不同預處理氣氛對催化劑表面結構的動態重構作用。研究不僅澄清了活性位點的爭議，更提出了一種通用的表面工程方法，即通過簡單的氣氛處理即可“激活”催化劑的潛在活性，為設計高性能環境催化材料提供了理論指導。
圖文導讀
結論一
還原預處理解鎖卓越催化活性。
研究團隊對比了氧化（CuCe-Oxi）、反應（CuCe-Rex）和還原（CuCe-Red）三種氣氛預處理后的催化性能。結果顯示，CuCe-Red 在 70°C 下的 CO 轉化率高達 66%，遠超 CuCe-Rex (45%) 和 CuCe-Oxi (33%)。更關鍵的是，在歸一化銅分散度后，還原態催化劑的本征 TOF（0.04 s-1）是其他樣品的兩倍，且活化能大幅降低（44.7 kJ/mol vs. 62.0 kJ/mol），證明氣體處理從根本上改變了活性位點的本征性質。
圖1. 不同氣氛預處理 CuOx/CeO2催化劑的 (a) CO 氧化活性曲線及 (b) 70°C 下的 TOF 值對比。
結論二
原位光譜“看見”非對稱氧空位。
通過原位拉曼光譜（In-situ Raman），研究人員捕捉到了表面缺陷的微妙變化。拉曼 D 帶被解析為代表非對稱氧空位（Cu+-Ov-Ce3+）的D1峰和代表對稱空位的 D2峰。數據表明，還原處理特異性地促進了D1峰的增強，這說明還原氣氛在銅-鈰界面處“雕刻”出了更多的高活性非對稱空位，而氧化態樣品則主要以低活性的對稱空位為主。
圖2. 原位拉曼光譜揭示不同氣氛下非對稱（D1）與對稱（D2）氧空位的演變規律。
結論三
低配位 Cu+增強 CO 活化。
X射線吸收精細結構譜（XAFS）提供了原子尺度的證據。在 CuCe-Red 中，銅主要以 +1 價存在，且表現出極低的配位數（CN ≈ 3），與體相 CuO 的四配位結構截然不同。這種低配位Cu+處于電子不飽和狀態，能更有效地吸附 CO 分子。原位紅外光譜（DRIFTS）中觀察到的強烈振動斯塔克效應（Vibrational Stark Effect）進一步證實，CO 在這些低配位位點上具有更高的覆蓋度和吸附強度，從而顯著降低了反應能壘。
圖3. XAFS 表征揭示 CuCe-Red 中獨特的低配位 Cu+結構特征。
結論四
構建定量構效關系。
基于多維度的表征數據，作者建立了嚴格的定量構效關系（Structure-Activity Relationship）。研究發現，催化劑的 TOF 值與非對稱氧空位比例及界面活性物種（Cu2+-OL-Ce4+前體）含量呈現高度線性正相關。這不僅證實了界面協同機制，也指明了未來催化劑設計的方向——即通過表面工程最大化非對稱界面位點的密度。
圖4. 催化活性（TOF）與非對稱氧空位濃度及界面物種含量的線性構效關系。
總結展望
本研究通過系統的原位表征與動力學分析，闡明了氣體氣氛對 CuOx/CeO2催化劑界面微環境的決定性調控作用。“氣體誘導”策略的提出，打破了傳統合成方法的局限，證明了通過簡單的還原活化即可誘導高活性低配位Cu+與非對稱氧空位的形成，從而大幅提升催化效率。這一發現不僅深化了對銅鈰催化機理的理解，也為實現碳中和目標下的高效環境催化材料設計提供了具備工業應用潛力的普適性策略。
原文信息
Unveiling the gas-dependent active site evolutions on CuOx/CeO2 catalysts for CO oxidation
作者：
Fei-Xiang Tian, Yuan Gao, Liuqingqing Yang & Yulian He*
https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-025-00141-y
DOI:
https://doi.org/10.1007/s43979-025-00141-y
Cite this article：
Tian, FX., Gao, Y., Yang, L. et al. Unveiling the gas-dependent active site evolutions on CuOx/CeO2 catalysts for CO oxidation. Carb Neutrality 4, 34 (2025). https://doi.org/10.1007/s43979-025-00141-y
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通訊作者信息
賀玉蓮，上海交通大學，副教授
研究領域
“實驗-理論-AI”交叉閉環多相催化研究。
個人簡介
賀玉蓮，上海交通大學浦江國際學院、化學化工學院雙聘副教授，博士生導師，“催化與AI實驗室”負責人，主要研究方向為“實驗-理論-AI”交叉閉環多相催化研究。2016年本科畢業于南開大學化學學院，2020年博士畢業于美國耶魯大學，并于美國斯坦福大學從事博士后研究。入選上海市揚帆人才計劃、上海領軍人才（海外）。目前已在全球高水平雜志上發表論文四十余篇，包括J. Am. Chem. Soc. (4)、PNAS (2)、Nat. Commun.(1) 等；撰寫書籍章節4部，擔任多個雜志青年編委。
聯系方式
E-mail: yulian.he@sjtu.edu.cn
圖文來源：原文作者
編輯：Carbon Neutrality編輯部
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Carbon Neutrality 是由上海交通大學與Springer Nature合作出版的低碳科學與技術、碳金融與碳管理領域的國際跨學科綜合期刊。本刊旨在打造碳中和領域旗艦期刊和國際一流期刊，主要刊載低碳相關領域具有高度原創性、能夠反映學科水平的高質量研究論文和評論性綜述文章，為國內外從事低碳研究的專家學者提供一個專業的國際學術交流平臺。
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