近日，西南大学化学化工学院耿豪杰副教授、李念兵教授联合重庆大学冉景煜教授团队，在国际知名期刊Nature Communications在线发表题为 “Coordination Restraint of Rh-Cu Diatomic Catalyst and C-H Bond Oxygen Insertion for Methanol Synthesis” 的研究论文。该研究围绕甲烷高值转化这一重要科学问题，提出了一种铑-铜异核双原子催化剂构筑新策略，实现了甲烷一步选择氧化制甲醇的高效催化，为温和条件下甲烷资源高值利用提供了新思路。
研究人员创新地发展了封装热解策略，在氮掺杂石墨碳载体上成功构筑了结构稳定、空间邻近的Rh-Cu异核双原子催化位点，如下图所示。该催化剂形成了明确的Rh-Cu-N6配位结构，其中Rh-Cu原子间距约为2.42 Å。研究发现，这种双原子位点能够通过电子耦合与电荷极化效应实现功能分工：Rh位点主要负责甲烷C–H键活化，Cu位点则对氧物种形成“配位约束”，从而有效抑制过度氧化，促进甲醇生成。
催化性能测试表明， O₂为氧化剂的条件下，该Rh-Cu双原子催化剂的甲烷转化速率可达232 μmol/(molsite·s)，甲醇选择性最高可达81%，活性约为单原子Rh催化剂的3倍。与单原子催化剂易生成CO₂不同，Rh-Cu双原子体系显著改变了反应路径，使产物由深度氧化产物转向目标产物甲醇，展现出优异的选择氧化性能。与此同时，催化剂在连续200小时 运行测试中保持了良好的稳定性，显示出较好的应用潜力。
为进一步揭示高效催化背后的本质机制，研究团队结合原位红外光谱、X射线吸收精细结构表征以及密度泛函理论计算开展了系统研究。结果表明，Rh-Cu双原子位点能够促进形成稳定的桥式氧中间体Rh-O-O-Cu和Rh-O-Cu，并显著稳定关键中间体*OCH₃。理论计算显示，甲烷在最优吸附构型下可沿更有利于甲醇生成的路径进行转化，而形成CO₂的路径具有更高能垒。
该研究成果表明，异核双原子催化剂在甲烷选择氧化反应中具有独特优势：一方面，Cu位点通过强化对氧物种的调控，限制活性氧过度插入；另一方面，Rh位点保持较强的C–H键活化能力，二者协同实现了对甲烷活化与产物选择性的精准平衡。该研究不仅为甲烷一步转化制甲醇提供了新型催化材料和理论依据，也为双原子催化剂的理性设计与清洁能源转化利用开辟了新的研究方向。
西南大学化学化工学院硕士生赵浩博、高艳玲同学为该文章的共同第一作者，耿豪杰副教授为通讯作者，李念兵教授和重庆大学冉景煜教授为共同通讯作者，西南大学为第一完成单位。这项工作得到了国家自然科学基金项目（22109129）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70182-z
