二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）既是典型温室气体，也是重要的碳一资源。由于CO2分子具有较高热力学稳定性，CH4则具有强C–H键，其高效活化与选择性转化始终是碳资源利用领域的重要挑战。此外，在复杂催化过程中，如何协调电子、质子、活性氧及关键中间体的传递与转化，是兼顾催化活性、选择性和稳定性的关键科学问题。

近期，西安交通大学化工学院高展教授团队围绕CH4/CO2碳一小分子高值转化开展系统研究，从界面微环境调控、光生载流子定向分配和多活性位协同三个层面，分别在酸性CO2电催化还原、CH4光催化非氧化偶联以及CH4/CO2热催化干重整领域取得重要进展。

电催化：动态调控界面质子传输，实现酸性CO2高选择性电还原

酸性CO2电还原能够减少碳酸盐形成导致的碳损失，但高质子浓度也会加剧析氢竞争，尤其在不同电流密度下，界面质子来源和传输机制持续变化，使传统静态电子结构调控难以适应实际工作状态。针对这一问题，团队在Ni单原子催化剂中协同引入轴向Cl配体和平面B位点，构筑具有电位响应特征的“质子路由界面”。低电流密度下，Cl配体通过扰乱界面水氢键网络限制H3O?传输，抑制析氢反应；在工业级电流密度下，B位点促进局域水解离，并引导质子向邻近Ni活性中心传递。同时，Cl和B协同调控Ni中心电子结构，优化关键*COOH和*CO中间体的吸附行为。优化后的Cl–Ni–NB/CNT催化剂在酸性介质、200 mA cm?2条件下实现98.6%的CO法拉第效率，并稳定运行超过100 h。该研究将催化剂设计从静态活性位调控拓展至工作条件下界面水结构与质子传输路径的动态调控。该成果以Potential-Dependent Proton Routing Through Interfacial Water Programming for Acidic CO2 Electroreduction为题发表于化学类顶级期刊Angewandte Chemie International Edition。论文共同第一作者为西安交通大学化工学院博士生邓喆、博士后王靖宜和中南大学刘敏教授，高展教授为唯一通讯作者，西安交通大学化工学院为该论文的第一完成单位和唯一通讯单位。

论文链接： https://doi.org/10.1002/anie.4591778

光催化：构筑光诱导电荷极化合金，实现CH4向C2+烃和H2协同转化

CH4直接高值转化不仅需要突破惰性C–H键活化，还需协调甲基中间体偶联和析氢等多个过程，因此活性、选择性与稳定性往往难以兼顾。团队构筑了TiO2负载的Pt–Au电荷极化纳米合金。光照下，光生空穴优先富集于Au位点，促进CH4活化、*CH3吸附及C–C偶联；电子则优先富集于Pt位点，促进H2生成，从而实现不同反应步骤在双金属位点上的功能分工。在连续流光催化体系中，Pt–Au/TiO2实现了C2+烃和H2的协同生成，产率分别达到22.3 ± 0.1 μmol h?1和21.2 ± 0.1 μmol h?1，C2+选择性达到99.0 ± 0.4%，并稳定运行超过210 h。该研究表明，通过调控双金属界面的光生载流子空间分配，可有效协调C–H活化、C–C偶联和H2析出过程。该成果以Charge-Polarized Alloy for Robust Co-Production of H2and C2+from Photocatalytic Nonoxidative Coupling of Methane为题发表于化学类著名期刊ACS Catalysis。论文第一作者为西安交通大学化工学院博士后王靖宜，西安交通大学化工学院高展、湖南大学王惠和英国伦敦大学学院Yang Lan教授为共同通讯作者，西安交通大学化工学院为该论文的第一完成单位和共同通讯单位。

论文链接： https://doi.org/10.1021/acscatal.6c00340

热催化：构筑孤立Ni–Ru双位点，实现CH4/CO2协同活化

在CH4和CO2分别转化的基础上，团队进一步研究两种碳一分子的协同利用。甲烷干重整能够将CH4和CO2直接转化为合成气，但传统体系通常面临低温活性不足以及高温积碳、烧结等问题。团队在富缺陷CeO2表面构筑了空间孤立的Ni–Ru双活性位。其中，Ruδ+–O?–Ce3+界面位点优先活化CH4生成CH3*，并借助晶格氧进一步转化为含氧中间体，抑制CH?深度脱氢和积碳；Niδ+–O?–Ce3+位点则促进CO2活化并补充晶格氧，构建持续的晶格氧/氧空位氧化还原循环，实现CH4和CO2活化过程的位点分工与协同。优化后的1NiRu/CeO2催化剂在500 ℃下实现CH4和CO2转化率分别为21.46%和24.10%，在750 ℃时分别达到86.77%和92.78%，并稳定运行超过150 h。该研究通过双位点选择性分工协调低温活性、稳定性和抗积碳性能，为CH4/CO2协同资源化提供了新的催化剂设计思路。论文以Resolving the Activity–Stability Trade-Off in Methane Dry Reforming via Ru-Preferential CH4 Activation on Isolated Ni–Ru Dual Sites为题发表于化学类著名期刊Small 。论文第一作者为西安交通大学化工学院博士后王靖宜，高展教授为唯一通讯作者，西安交通大学化工学院为该论文的第一完成单位和唯一通讯单位。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.75232

三项工作分别采用电、光和热驱动方式体现了共同的催化设计理念：由单一活性中心调控进一步走向界面动态传递与多功能位点协同。从CO2电还原中的质子定向传输，到CH4光转化中的电子—空穴空间分配，再到干重整过程中的晶格氧循环和双位点分工，相关研究从不同尺度调控关键物种的生成、传递与反应，为CH4/CO2碳一资源的高效、高选择性利用提供了新的研究思路。

该研究工作得到国家自然科学基金、工信部高技术船舶专项课题及陕西省重点研发计划等项目支持。