中国农业大学教授入选国家高层次人才计划、在顶级期刊(IF=17)发表研究成果,一个中间体的“跨界之旅”如何改写甲烷催化规则

近日，中国农业大学工学院农业生物质资源利用工程实验室田思聪教授团队在自然指数收录的化学领域顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表了一项热点研究论文，题为《Active-Site Shifting on the Ni-FeOx Interface Bridges Metallic and Oxidative Catalysis for Efficient Methane Partial Oxidation》。该研究首次揭示了Ni–FeOx界面催化体系中一种前所未见的活性位点转移机制，为长期困扰生物质甲烷部分氧化重整领域的两大瓶颈：高温依赖与碳沉积失活问题，提供了全新的科学解释与技术突破路径。

作为重要的清洁能源和化工原料，生物质甲烷的高效低温转化一直是能源催化科学的核心挑战之一。传统氧化物催化剂通常需在900℃以上的极端高温下才能驱动甲烷的部分氧化反应，不仅能耗巨大，还极易因积碳导致催化剂失活，严重制约了其工业化应用。针对这一难题，研究团队设计并构建了一种合成简便的Ni-FeOx复合催化材料，并通过实验与理论计算的深度结合，发现甲烷在部分氧化过程中，其关键中间体CH₃*并非始终固定于单一活性位点，而是在Ni金属位点完成初始脱氢后，主动迁移至邻近的FeOx氧化物位点继续氧化反应，形成一种“接力式”协同催化过程。这一发现颠覆了以往认为甲烷部分氧化全过程均发生在金属位点的传统串联反应机理。

进一步的理论计算表明，CH₃从Ni向FeOx跨界迁移所需的能垒仅为4.45 eV，远低于其在纯Ni（28.54 eV）或纯FeOx（5.36 eV）表面单独反应的能垒，说明界面迁移是一条能量上更为有利的反应路径。结合X射线光电子能谱与界面电荷密度差分分析，研究团队证实Ni与FeOx之间存在显著的电子相互作用，这种独特的电荷分布特征有效促进了CH₃中间体向FeOx位点的定向迁移，在整个活性位点转移过程中起到了决定性作用。

基于这一新机制开发的Ni-FeOx催化体系在中温条件下展现出卓越的催化性能：在700℃时，甲烷转化率高达89.9%，合成气产率达9.7 mmol/g，不仅明显优于传统的Fe₃O₄催化剂，也超越了当前多数金属–氧化物耦合体系的性能水平。更重要的是，该催化剂在多次循环运行中保持高度稳定，几乎未出现积碳现象，充分验证了活性位点迁移机制在提升催化效率与抑制积碳方面的双重优势。这项工作不仅为生物质甲烷的高效低温转化开辟了新思路，也为设计下一代高性能界面催化剂提供了重要的理论依据。

本论文由中国农业大学作为第一完成单位，博士研究生刘玟为第一作者，田思聪教授担任通讯作者，韩鲁佳教授全程参与并指导了该项研究工作。