近日，西南大学李念兵教授、耿豪杰副教授、重庆大学冉景煜教授团队在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》上发表了题为“Regulation of Electron Transfer and Microstructure in RuN Single-Atom Catalysts and Their Catalytic Performance for CO/CO2 Hydrogenation”的论文，通过高温热冲击技术调控钌单原子的氮配位结构（RuN₃），结合原位X射线吸收谱（XANES）、红外光谱（DRIFTS）与密度泛函理论（DFT）计算，实现低温（150°C）下CO高效催化转化（99%转化率，95% CH₄选择性）并抑制CO₂副反应的方法。

1. CO毒化问题的紧迫性：质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中，微量CO（>10 ppm）会严重毒化Pt电极，导致电池失效。开发高效催化剂以彻底去除H₂中的CO成为关键需求。

2. 传统催化剂的局限性：传统Ni、Ru纳米催化剂在CO/CO₂加氢中存在两大缺陷：一是CO₂通过逆水煤气反应生成二次CO；二是难以兼顾CO高选择性甲烷化与CO₂惰性化，导致副产物积累。

3. 单原子催化剂的潜力：单原子催化剂（SACs）凭借原子级分散特性，可精准调控活性位点结构，为优化CO加氢路径提供新方案。但Ru基SACs在CO/CO₂加氢中的系统性研究仍待深入。

1. 催化剂合成策略：通过金属有机框架（ZIF-8）前驱体设计，结合高温热解（1100°C）和快速热冲击（HTS）技术调控Ru的氮配位环境。例如，RuN₂和RuN₄通过直接煅烧获得，而RuN₃需通过两步法（低温热解+瞬时高温锁定）形成三配位结构，最终实现原子级分散的Ru-N活性位点。

2. 多维度表征技术：利用高分辨透射电镜（HRTEM）和球差矫正HAADF-STEM确认Ru单原子分散；X射线光电子能谱（XPS）分析Ru的氧化态及N物种类型（如吡啶氮、石墨氮）；原位X射线吸收谱（XANES）实时追踪反应中Ru的电子态变化；红外光谱（DRIFTS）捕捉关键中间体（如CHO、COOH）。

3. 催化性能与理论模拟结合：在固定床反应器中测试催化剂性能（温度范围150–300°C，GHSV=4255 h⁻¹），量化CO/CO₂转化率及产物选择性。结合密度泛函理论（DFT）计算吸附能、反应路径能垒及d带中心位置，揭示Ru-N配位数对催化活性的影响机制。

1. 结构特征与活性位点优势：RuN₃催化剂中，Ru原子偏离N-C平面1.378 Å，形成三维活性位点，显著增强CO吸附能力（线性吸附为主）。XPS显示Ru与N的电荷转移形成缺电子中心，削弱C-O键强度，促进甲烷化路径。

2. 催化性能的突破：在150°C低温下，RuN₃实现99%的CO转化率和95%的CH₄选择性，远超传统催化剂（需>250°C）。同时，CO₂加氢活性被抑制（需>250°C启动），且生成的CO被进一步转化，避免二次释放。800小时稳定性测试后性能衰减<3%，展现工业应用潜力。

3. 电子结构的理论解析：DFT计算表明，RuN₃的d带中心最接近费米能级（-0.798 eV），优化了电子反馈能力，使CO加氢能垒降至73 kJ/mol。原位光谱证实，CO吸附诱导Ru部分氧化（Ruδ⁺→COδ⁻），配位数越高，电子转移效率越低。

1. 催化剂设计的进一步优化：未来可通过引入硫（S）、磷（P）等杂原子调控Ru的配位环境，拓展活性位点的电子调控范围，探索宽温域（如室温至高温）下的高效催化。

2. 反应机理的深入探索：结合原位表征与机器学习，解析复杂反应网络中中间体的动态演变路径，明确CO/CO₂加氢的竞争机制，为定向合成特定产物（如甲醇、C₂+烃）提供理论指导。

3. 工业化应用与环境兼容性：需验证催化剂在真实PEMFC工况（如湿度、压力波动）下的长期稳定性，并开发低贵金属负载量（<0.5 wt%）的绿色合成工艺，降低全生命周期成本，推动从实验室到工业化的跨越。