甲烷干重整（DRM）是实现二氧化碳资源化利用、甲烷高值化转化的核心技术路线，可将温室气体CO₂与CH₄高效转化为合成气，为合成燃料、高端化工品生产提供优质原料，兼具环保效益与产业价值。但严苛高温反应环境下，传统催化剂普遍存在活性组分烧结、积碳失活两大痛点，严重制约该工艺规模化落地。

近日，安徽师范大学赵国锋教授/司家奇博士、清华大学李亚栋院士等联合研究团队构筑具有Ru₁-O-Ce精准界面结构的钌基单原子位点催化剂，在宽空速（40-225 L g_cat^-1 h^-1）条件下稳定运行600小时；将Ru₁-O-Ce位点锚定在商业Al₂O₃微球上可稳定运行2000小时。相关工作以《Discovery of a Robust Ru₁-O-Ce Single Atom Catalyst for Coke-Free Dry Reforming of Methane》为题于2026年5月23日在J. Am. Chem. Soc.上在线发表。

该研究采用直接共浸渍法制备得到了Ru-10CeO₂/Al₂O₃催化剂，球差电镜、EXAFS、CO-DRIFTS等表征结果证实，Ru以单原子形式均匀分散于CeO₂上，成功形成Ru₁-O-Ce单原子界面活性位点；结合XPS、UV-vis、EPR、原位Raman等多种谱学表征分析发现，该Ru₁-O-Ce位点经还原处理后，可形成富含氧空位的Ru₁-O_V-Ce缺陷结构；进一步通过CO₂吸附红外测试证实，Ru₁-O_V-Ce缺陷位点能够高效吸附并解离CO₂生成CO，同时实现自身向原始Ru₁-O-Ce活性位点的原位再生，构成完整的催化循环。

Ru-10CeO₂/Al₂O₃催化剂表现出高活性的无积碳DRM过程。在宽反应温度（650-800 ^oC）和宽空速（40-225 L g_cat^-1 h^-1）条件下均可稳定运行。进一步将Ru₁-O-Ce位点负载于商用氧化铝（Al₂O₃）微球载体上，成功制备出工业试制颗粒催化剂（粒径1.5毫米），该催化剂在750 ℃下，可稳定实现长达2000小时的无积碳运行，凸显其工业化应用的巨大潜力。

在甲烷干重整（DRM）反应中，CH₄解离程度是调控积碳生成的核心因素：甲烷发生深度解离会大幅加剧积碳生成，而适度部分解离则可有效抑制积碳累积。该研究采用CH₄-D₂交换脉冲实验，定量探究催化剂对甲烷的裂解活化能力。实验结果证实，Ru-10CeO₂/Al₂O₃催化剂可高效驱动甲烷发生部分解离实现活化，其表面积累CH_x物种的平均氢碳比x为1.63；而Ru/Al₂O₃催化剂活化甲烷能力差，且以深度解离为主（对应CH_x物种x值仅为0.66）。后续通过CH₄-CO₂-H₂顺序脉冲实验进一步验证，Ru-10CeO₂/Al₂O₃对CH_x中间体的消除比率高达98.2%，证实该催化剂表面CH_x物种的生成速率与消耗速率可维持动态平衡；基于质量守恒计算得到其CH_x平均x为1.60，与CH₄-D₂交换脉冲实验所得结果（1.63）高度吻合。综上，Ru-10CeO₂/Al₂O₃催化剂既可高效实现甲烷可控部分解离，又能使表面CH_x中间体的积累与消除速率趋于平衡，进而实现该催化剂的零积碳长期稳定运行。

理论计算表明，Ru₁-O-Ce位点吸附解离CH₄为*CH₃，其继续脱氢（生成*CH₂，1.81 eV）进而氧化（生成*CH₂O，1.32 eV）因能垒过高难以进行；相比之下，*CH₃更易经氧化路径逐步转化为*CH₃O（0.54 eV）、*CH₂O（0.27 eV）、*CHO（0.73 eV）直至*CO（0.12 eV），该路径整体反应能垒更低。与CH₄-DRIFTS实验中检测到*CH₃和*CH₂O中间体富集的实验结果一致。

总之，该研究成功构筑了具有Ru₁-O-Ce结构的钌基单原子位点催化剂，在DRM反应中展现出优异催化活性与抗积碳性能。该研究采用系统完备的M₁-O-Ce界面位点的表征手段，建立了单原子位点的精细结构识别的表征标杆。此外，该研究采用同位素交换实验、脉冲实验，实现了积碳与消碳过程的定量分析，构建了DRM反应中“积碳-消碳”的研究标杆。该研究为开发低成本、高稳定性单原子位点催化材料、推动甲烷干重整的技术开发提供了新思路。