近日，中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队在双功能Ce-OH位点构筑及其活化O2与甲醇氧化机制方面取得重要研究进展，成果以“Overcoming the Oxygen Activation Barrier: Dual-Functional Ce-OH Sites for Methanol Adsorption and Oxidation”为题，发表于Journal of the American Chemical Society。
构建耦合反应物吸附与O2活化的双功能活性位点，是规避扩散限制，提升催化性能的重要策略。金属羟基位点（M-OH）因其独特的局域电子结构和配位环境，既可通过氢键促进反应物吸附，也可通过质子耦合电子转移直接参与反应。然而，单一的M-OH位点能否同时实现反应物分子吸附与O2活化的双重功能，仍存在认知的空白。这一空白的关键性在于：O2活化受基态O2自旋禁阻的动力学能垒制约；在众多的多相催化反应中，反应物分子的吸附与活化往往发生在空间和化学性质迥异的位点上，催化反应的进行依赖位点间的协同，由此带来扩散限制并降低反应效率。
针对这一空白，研究团队以甲醇氧化为模型反应，结合理论计算和原位实验研究，创新性地揭示了Ce-OH具有吸附甲醇与活化O2双功能，既降低了O2活化能垒，又改变了甲醇氧化的反应能垒与路径，从而显著提高了催化氧化甲醇活性与寿命。研究团队通过离子交换将Ce引入ZSM-5分子筛的Brønsted酸位, 在Ce-ZSM-5-IE催化剂上成功构筑了Ce-OH活性中心，证实了Ce-OH类型包括Z[Ce4+(OH)3]⁺和Z2[Ce4+ (OH)2]2+。其中，Z[Ce4+(OH)3]⁺可将O2活化能垒降低至1.12 eV，显著低于ZSM-5中桥-OH的3.35 eV和CeO2的1.39 eV; 在该位点上，甲醇氧化遵循O2活化和HCHO生成协同进行的反应路径，其中HCHO分解为决速步，反应能垒为1.55 eV。在Z2[Ce4+ (OH)2]2+上，-COOH的分解为决速步，反应能垒为2.18 eV。归一化催化速率进一步表明，Ce-OH物种具有更高的本征活性，是Ce-ZSM-5-IE优异催化性能的主要贡献者。本研究揭示了金属羟基位点上O2活化的原子机制，为设计双功能活性位点的分子筛基催化剂提供了新的理论依据和策略。
中国科学院生态环境研究中心郭雪立博士和符瑜博士后为论文共同第一作者，王莲副研究员、马金珠研究员、余运波研究员、贺泓院士为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（52470133, 22188102, 22472195）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c09748
大气环境与污染控制实验室
2026年9月17日