中国科学院大连化学物理研究所刘岳峰&太原理工大学章日光&上海交大刘晰Nature子刊丨Ce单原子稳住氧空位高效转化CO₂!

CO₂转化催化剂要走向真实工业场景，不能只追求高活性，还必须承受高温和复杂杂质环境。尤其在逆水煤气变换（RWGS）反应中，600 °C以上高温以及工业尾气中常见的含硫化合物，会引发活性位失稳、晶体结构破坏和催化剂快速失活。

金属氧化物表面的氧空位、台阶和边缘位常被认为是CO₂吸附与活化的重要位点，但如何在增加氧空位数量的同时保持结构稳定，仍是关键难题。已有单原子掺杂策略可以提高氧空位浓度，却容易在高温和毒化气氛下发生团聚或结构劣化。

该工作选择廉价且储量丰富的MgO作为基础材料，通过在缺陷MgO纳米晶台阶位引入Ce单原子，构建Ce单原子辅助氧空位。该策略把“造空位”和“稳空位”结合起来，为高温、抗硫CO₂转化催化剂设计提供了新的思路。

近日，中国科学院大连化学物理研究所刘岳峰、太原理工大学章日光、上海交通大学刘晰、墨西拿大学Gabriele Centi在Nature Communications发表了题为"Single Ce Atom Assisted Oxygen Vacancies as Active and Stable Sites for CO₂ Conversion"的研究论文，Shiyan Li、Na Li、Tian Qin为论文第一作者，刘岳峰、章日光、刘晰、Gabriele Centi为论文通讯作者。

核心亮点

1. 提出“Ce单原子辅助氧空位（SA-Ov）”催化概念，将Ce作为调控和稳定缺陷MgO氧空位的助剂。

2. Ce单原子优先锚定在MgO原子台阶和低配位缺陷位，促进更多台阶、角位和氧空位形成。

3. Ce-MgO-D(1.6)在600 °C RWGS反应中实现52.1% CO₂转化率和37.2 μmol·gcat⁻¹·s⁻¹反应速率。

4. 催化剂可在接近平衡条件下稳定运行超过1000小时，并在300 ppm H₂S存在下仍保持活性。

5. 表征、动力学和DFT共同证明，真正关键位点不是孤立Ce单原子本身，而是Ce单原子辅助形成并稳定的MgO氧空位。

📄 全文速览

氧空位通常被认为是CO₂转化的活性位点，但通过工程化调控氧空位以同时提升活性和稳定性的研究仍然较少，尤其是在高反应温度（≥600 °C）或严苛应力条件（如存在H₂S）下。

研究表明，在缺陷MgO纳米晶（小于20 nm）中，锚定于缺陷MgO位点的原子级分散Ce原子可以显著促进氧空位形成。这类催化剂兼具高CO₂转化性能和优异稳定性，即使在300 ppm H₂S存在下也能保持稳定。

当Ce负载量低于2 wt%时，Ce原子仅以孤立物种形式存在，并与MgO纳米晶的氧缺陷位配位。这些Ce单原子促进缺陷形成并有利于CO₂吸附，同时增强H₂分子活化，但其本身并不单独充当单原子催化剂。

系统的机理研究、化学动力学和理论建模证明，单原子辅助氧空位（SA-Ov）赋予催化剂高性能和稳定性，为催化剂设计开辟了新路径。

📊 图文解读

图1 | 原子级STEM、XPS、XANES和EXAFS共同证明Ce以单原子形式锚定在缺陷MgO台阶位，并主要呈Ce³⁺/Ce⁴⁺共存状态。

结果显示，Ce-MgO-D(1.6)表面富含台阶和角位，Ce物种主要以单原子形式分散在MgO(100)表面，未观察到明显团簇或纳米颗粒。线强度分析表明Ce优先位于MgO台阶位；

XPS、EELS和XANES确认Ce以Ce³⁺为主并伴随Ce⁴⁺，EXAFS未出现Ce-Ce散射路径，证明低负载Ce取代Mg原子并与氧缺陷位配位。

图2 | UV-vis、EPR、准原位XPS和DFT表明Ce掺入显著提高MgO表面缺陷、低配位氧物种和氧空位浓度。

UV-vis吸收随Ce含量增加而增强，说明MgO表面缺陷位增多；EPR在g=2.004处出现更强氧空位信号，证明Ce促进Fs⁺中心形成。

H₂处理后的准原位O 1s XPS显示Ce-MgO-D(1.6)氧空位比例达到30.2%，高于MgO-D和MgO-C。

Mg 2p与O 1s位移进一步表明Ce向MgO发生电荷转移，DFT模型揭示台阶、Ce掺杂台阶和Ce-Ov位点具有不同低配位结构。

图3 | Ce-MgO-D催化剂在RWGS反应中表现出高CO₂转化活性、长时稳定性和突出的H₂S抗中毒能力。

Ce-MgO-D(1.6)在600 °C下达到52.1% CO₂转化率和37.2 μmol·gcat⁻¹·s⁻¹ RWGS速率，显著优于MgO-C、CeO₂纳米颗粒和其他对照催化剂。最佳Ce负载接近CeO₂纳米颗粒开始出现前的单原子区间；

该催化剂可稳定运行超过1000小时，并在5、50、300 ppm H₂S连续引入时几乎不失活，明显优于CuZnAl和MoCx体系。

图4 | CO₂-TPD、原位DRIFTS和DFT揭示Ce-Ov-MgO-D位点增强CO₂吸附并降低CO₂加氢生成CO的能垒。

CO₂-TPD显示Ce-MgO-D(1.6)的CO₂吸附容量较MgO-C提高16.7倍，弱、中、强碱性位均随缺陷位增加而增强。原位DRIFTS证明CO₂在缺陷MgO和Ce-MgO-D表面形成更稳定的碳酸盐/甲酸盐相关物种。

DFT计算进一步表明，Ce-Ov-MgO-D模型对CO₂具有更有利吸附构型，并降低CO₂加氢至CO路径中的关键能垒。

📝 总结

该研究证明，在缺陷MgO纳米晶台阶位引入Ce单原子，可以有效构建并稳定单原子辅助氧空位，从而显著提升CO₂转化反应的活性、选择性和耐久性。

Ce单原子并非独立承担传统意义上的单原子催化中心作用，而是通过调控MgO表面形貌、电子结构和氧空位浓度，增强CO₂吸附与H₂活化，并维持高温和含硫气氛下的结构稳定。

Ce-MgO-D(1.6)在RWGS反应中表现出高CO生成速率、接近100%的选择性、超过1000小时的长周期稳定性，以及在300 ppm H₂S下的优异抗中毒能力。

表征、动力学和理论计算共同说明，Ce单原子辅助氧空位是实现高效稳定CO₂转化的核心位点。该策略为设计面向真实工业条件的高温抗毒化氧化物催化剂提供了重要参考。

Single Ce Atom Assisted Oxygen Vacancies as Active and Stable Sites for CO₂ Conversion,Nature Communications,2026,DOI:10.1038/s41467-026-74091-z