近日，国际知名化学期刊Angewandte Chemie International Edition在线发表了华中师范大学化学学院郭彦炳教授团队的最新研究成果“Temperature-Dependent Dynamics of Superoxide and Peroxide Anions in Hydrocarbon Catalytic Oxidation Over Single-Atom Pt Catalysts”。华中师范大学为该论文第一完成单位，我院郭彦炳教授、杨吉研究员和罗竹教授为共同通讯作者，博士生张宝剑为第一作者。

明晰活性氧物种（ROS）的动态演化规律及其理化性质，是揭示催化氧化机制、推动高效氧化催化剂理性设计的关键。尽管分子氧的活化路径、ROS的生成机制及其反应活性已得到广泛研究，但在真实反应条件下，不同ROS的动态生成、相互转化与消耗过程，以及其与反应物之间的相互作用仍缺乏系统认识。这一关键科学问题不仅制约了对催化过程中ROS真实存在形态与作用机制的准确判定，也阻碍了兼具低温高活性与长期稳定性的氧化催化剂的开发。

近年来，郭彦炳教授团队围绕催化剂活性位点原位演化以及多元活性氧活化机制开展了系统研究，为解决上述瓶颈问题提供了有力的理论和实验支撑(Formation of hydrided Pt-Ce-H sites in efficient, selective oxidation catalysts, Science, 2025, 388, 514；Ultra-stable Dynamic Low-coordinated PtSA/CeZrO2 Ordered Macroporous Nanostructure Integrated Industrial-scale Monolithic Catalyst. Nature Commun, 2025, 16, 7847； Dual Activation of Molecular Oxygen and Surface Lattice Oxygen in Single Atom Cu1/TiO2 Catalyst for CO Oxidation. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 48, e202212273)。

图1 PtSA/CeZrO2催化剂多元活性氧物种的动态演变和接力催化机制示意图

在本研究中，团队以铈锆氧化物负载单原子铂（PtSA/CeZrO2）为模型催化剂，系统解析了超氧阴离子（O2•-）与过氧阴离子（O22-）的温度响应行为，以及多类活性氧物种在混合烃催化氧化过程中的动态演化与差异化作用机制。研究发现，具有未成对电子并以Pt-O-O构型存在的O2•-是低温阶段的关键表面活性氧物种，在200 ℃以下甲苯的开环氧化过程中发挥主导作用。随着温度升高至200‑450℃，O2•-发生脱附；相比之下，由氧空位（Vo）锚定、以Pt‑O‑O@Vo构型存在的O22-兼具优异的稳定性与反应活性，主导丙烷的初始活化。依托O2•-与O22-随温度变化形成的“接力式”协同机制（图1），PtSA/CeZrO2催化剂在较低铂负载量（0.4 gPt/L）下即可于450 ℃实现甲苯-丙烷混合污染物的完全转化；相比于高铂负载的商用PtNP/CeZrO2催化剂（0.9 gPt/L），其完全转化温度降低150 ℃。本研究深化了对混合烃氧化过程中多元活性氧动态演化与协同机制的认识，为开发适用于宽工作温度窗口的新一代高效、稳定氧化催化剂提供了理论依据。

该研究工作得到了国家自然科学基金青年科学基金（A类）、优秀青年科学基金（海外）和面上项目、华中师范大学高层次人才科研启动经费、湖北省自然科学基金等项目的大力支持。