通过精确控制活性位点相互作用来提升催化性能，仍面临重大挑战。

2025年10月22日，中国科学技术大学刘凯杰、张一波在国际知名期刊Advanced Functional Materials发表题为《A Smart Catalytic System with In Situ Dynamic Current-Tuned Pd-Ce Diatomic Interactions for Enhanced Methane Oxidation》的研究论文，Songyun Tao为论文第一作者，刘凯杰、张一波为论文共同通讯作者。

在本文中，作者突破传统静态调控思路，首创电流辅助策略，实现Pd-Ce双原子位点内电子转移的原位动态精准调控。电流辅助Pd₁-Ce₁/ATO催化剂创低温甲烷燃烧新纪录：T₅₀降至181 °C，260 °C周转频率（TOF）高达4.25 × 10^-2 s^-1。

电流诱导Ce→Pd电子转移增强，使Pd中心电子密度提升，动态调控协同催化：富电子Pd对甲烷C-H键的反馈作用增强，促进C-H键断裂；同时通过轨道能级匹配提升Pd₁-Ce₁位点附近晶格氧迁移率，显著放大氧化能力。

电子调谐协同形成四中心过渡态（H₃C^δ--Pd-O-H^δ+），有效削弱C-H键，大幅加速甲烷氧化。

本工作以极低贵金属负载实现超低温活性，并提出燃烧催化剂理性设计新范式——按需实时调控位点间相互作用。

图1：Pd-Ce/ATO双原子结构表征。（a）Pd-Ce/ATO暗场AC-STEM图及Sn、Pd、Ce的EDS面分布；（b）Pd/ATO与Pd-Ce/ATO的CO-DRIFTS（5 % CO/Ar、30 °C吸附1 h）；（c）Pd-Ce/ATO的归一化Pd K边XANES谱；（d）k²加权Pd K边EXAFS傅里叶变换；（e）k²加权Ce L₃边EXAFS傅里叶变换；（f）PdO、Pd-Ce/ATO的Pd K边及CeO₂、Pd-Ce/ATO的Ce L₃边EXAFS小波变换；（g）Pd-Ce/ATO的AC-HAADF-STEM图；（h）沿A-B、C-D路径强度分布证实Pd-Ce双原子形成；（i）近邻Pd₁-Ce₁位点与孤立Pd₁、Ce₁位点的两种Pd-Ce/ATO优化坐标结构及对应吉布斯自由能。

图2：甲烷燃烧催化性能评价。（a）活性测试装置示意图；（b）1 %Pd-x %Ce/ATO（x=0、0.75、1、1.25、1.5，x %按CeO₂质量计算）在200 °C、通电与纯热条件下的CH₄转化率；（c）Pd₁-Ce₁/ATO（Pd-1.25 %Ce/ATO）在通电与纯热条件、ATO及商用Pd/Al₂O₃在纯热条件下的CH₄转化率；（d）Pd₁/ATO与Pd₁-Ce₁/ATO在350 °C通电与纯热条件下的CH₄转化率；（e）本工作与文献CH₄燃烧催化剂TOF值对比；（f）Pd₁-Ce₁/ATO在275 °C通电与纯热条件下连续稳定性测试结果，插图为350 °C、3.5 vol% H₂O耐水性测试。

图3：电流辅助CH₄催化燃烧过程的初步机理探索。（a-b）Pd₁-Ce₁/ATO催化剂在纯热与电流辅助条件下的CH₄-TPSR谱图；（c-d）电流辅助原位红外装置示意图；（e-f）250 °C、30 min条件下纯热与电流辅助的CH₄吸附原位DRIFTS表征；（g）Pd₁-Ce₁/ATO催化剂在纯热与电流辅助条件下CH₄燃烧反应的活化能（E_a）。

图4：电流辅助对Pd₁-Ce₁/ATO催化剂氧化还原性能影响的表征。（a-b）Pd₁-Ce₁/ATO催化剂在纯热与电流辅助条件下的H₂-TPR谱图；（c-f）纯热与电流辅助条件下的同位素氧交换实验结果；（g）热与电流辅助条件下Pd₁-Ce₁/ATO同位素氧交换过程示意图。

图5：原位XPS解析电流辅助增强Pd-Ce双位点相互作用。（a）原位电流辅助XPS装置示意图；（b）无电流时Pd₁/ATO与Pd₁-Ce₁/ATO的Pd 3d XPS谱；Pd₁-Ce₁/ATO在0-10 V工作电压下的（c）Pd 3d、（d）Ce 3d及（e）Ce 3d_3/2与Ce 3d_5/2放大谱；Ce/ATO在0-10 V下的（f）Ce 3d及（g）Ce 3d_3/2与Ce 3d_5/2放大谱；（h）250 °C恒温下不同电压CH₄燃烧TOF值，Pd结合能偏移以无电流Pd₁-Ce₁/ATO（337.66 eV）为基准；（i）电流辅助-热补偿协同定制CH₄燃烧活性：左图250 °C恒温下任意调控CH₄转化率；右图在250、300、350 °C下通过调节电流保持70 % CH₄转化率。

图6：电流辅助催化的反应机理与电子结构。程序升温同位素氧示踪实验：（a-b）Pd₁-Ce₁/ATO催化剂在纯热与电流辅助条件下的升温过程。（c）Pd₁-Ce₁/ATO与Pd₁/ATO催化剂的优化计算模型俯视图。（d）Pd₁-Ce₁/ATO与Pd₁/ATO催化剂上甲烷C–H键解离自由能对比。 （e）Pd₁-Ce₁/ATO与Pd₁/ATO催化剂的电荷密度差计算结果。 Pd₁-Ce₁/ATO催化剂中Pd、O、Ce的分态密度（PDOS）：（f）无电场，（g）有电场。

图7：电流辅助Pd₁-Ce₁/ATO催化剂的综合机理、普适性与经济分析。（a、b）纯热与电流辅助条件下Pd₁-Ce₁/ATO表面CH₄催化燃烧模型。（c）电流辅助催化可接入的广义绿色能源示意图。（d）DFT计算得到的电流辅助Pd₁-Ce₁/ATO催化剂Pd-O-Sn电子结构与键长。（e）电流调控Pd-Ce双位点相互作用（Ce→Pd电子转移）动态增强的表面机制示意。（f）工业电流辅助整体催化剂成型方法示意。（g）电流调控Pd-Ce双位点策略对丙烷（C₃H₈）、一氧化碳（CO）、甲苯（C₇H₈）、丙烯（C₃H₆）催化活性提升的普适性验证。（h）从贵金属消耗角度对电流辅助催化进行的经济性分析。

综上，作者提出一种电流辅助策略，原位动态调控Pd-Ce双原子位点间的电子转移，实现甲烷在181°C下的高效催化燃烧，创纪录地提升低温活性与稳定性。

本研究突破了传统静态催化剂设计思路，为开发低能耗、按需响应的智能催化系统提供了新范式，具备广阔的环境治理与工业应用前景。

A Smart Catalytic System with In Situ Dynamic Current-Tuned Pd-Ce Diatomic Interactions for Enhanced Methane Oxidation. Adv. Funct. Mater., 2025.  https://doi.org/10.1002/adfm.202519202.