实时观察原子尺度上的重组过程，以实现钌单原子在N掺杂碳表面的均匀分布，从而促进二氧化碳的氢化反应生成甲酸

《Journal of Catalysis》：Real-time observation of atomic scale rearrangement for homogenizing ruthenium single atoms on N-doped carbon for CO 2 hydrogenation to formic acid

Ru/N-碳催化剂经400℃氮气热处理后稳定性提升95%，原位TEM显示弱结合位点Ru聚集迁移至强结合位点（吡啶/吡咯氮）。DFT证实该迁移热力学更优。该策略通过调控活性位点异质性增强催化剂稳定性。

　　在当前的研究中，我们关注了钌（Ru）催化剂在氮掺杂碳（NDC）材料上的性能表现。Ru催化剂因其在将二氧化碳（CO?）转化为甲酸（HCOOH）方面的高效性而备受关注。这一转化不仅有助于减少温室气体排放，还为工业应用提供了重要的化学原料。然而，尽管Ru催化剂在催化活性方面表现出色，其实际应用却受到稳定性问题的限制。尤其是在反应过程中，Ru物种容易从弱结合位点脱落或聚集，导致催化剂失活。

为了改善这一问题，我们研究了在惰性气氛下进行热处理对Ru催化剂稳定性的影响。通过将催化剂在氮气（N?）环境中加热至400°C，我们发现其催化活性在五次反应循环后仍能保持在95%以上。这一结果表明，热处理能够有效提升Ru催化剂的稳定性。更进一步，我们通过原位加热透射电子显微镜（in situ heating TEM）对Ru物种在热处理过程中的动态行为进行了实时监测。实验结果表明，在升温过程中，Ru聚集物逐渐迁移至更强的结合位点，如吡啶氮（pyridinic-N）或吡咯氮（pyrrolic-N）位点，并形成均匀分布的单原子结构。

这一发现不仅揭示了Ru催化剂在NDC材料上的行为机制，也为提升催化剂稳定性提供了新的思路。通过热处理，Ru物种能够从弱结合位点迁移至强结合位点，从而避免在反应过程中发生脱落或聚集。这种策略在实际应用中具有重要意义，因为催化剂的稳定性直接影响其使用寿命和经济性。此外，我们还通过密度泛函理论（DFT）计算对实验结果进行了理论支持，进一步验证了Ru原子迁移至强结合位点的热力学优势。

在催化剂设计方面，我们选择了具有特定结构的NDC材料作为模型支持材料。这种材料不仅具备丰富的结合位点，还能够提供清晰的表征条件，使得Ru物种的行为更容易被观察和分析。通过这种结构设计，我们能够更准确地评估热处理对催化剂性能的影响。同时，我们也对热处理后的催化剂进行了系统性研究，以揭示其在反应过程中的形态和结构变化。

实验结果显示，Ru催化剂在热处理后仍保持原子分散结构，没有出现Ru的损失或金属纳米颗粒的形成。这表明，热处理不仅提升了催化剂的稳定性，还保留了其高活性。这一结果对于开发高效的CO?氢化催化剂具有重要的意义，因为催化剂的稳定性是其实际应用的关键因素。此外，我们还发现，通过热处理，Ru物种能够更均匀地分布在NDC材料上，从而提升催化效率。

在研究过程中，我们采用了多种分析手段，包括原位加热TEM和DFT计算，以全面了解Ru催化剂在热处理过程中的行为。这些手段的结合使得我们能够从实验和理论两个层面深入探讨催化剂的稳定性问题。通过原位加热TEM，我们能够实时观察Ru物种在加热过程中的迁移和重组过程，而DFT计算则帮助我们理解这些过程背后的热力学和电子结构变化。

此外，我们还对催化剂的制备过程进行了详细研究。在之前的实验中，我们已经观察到热处理对Ru催化剂稳定性的影响。通过使用不同形式的NDC材料，如碳空心球或有序三维多孔结构，我们成功开发了具有高稳定性的Ru单原子催化剂（SACs）。这些催化剂在多次循环测试和连续流动反应器中均表现出优异的性能，表明其在工业应用中的潜力。

然而，为了更系统地研究热处理对Ru催化剂稳定性的影响，我们设计并合成了一种具有片状结构的NDC材料。这种结构能够提供更均匀的表面，便于观察Ru物种在加热过程中的动态行为。通过这种结构设计，我们能够更准确地评估热处理对催化剂性能的影响，并为后续研究提供基础。

在催化剂的表征方面，我们采用了高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）等手段。这些技术能够帮助我们观察Ru物种在NDC材料上的分布情况，并分析其在热处理过程中的变化。通过这些表征手段，我们能够更全面地了解催化剂的性能表现，并为优化其结构提供依据。

在理论计算方面，我们使用DFT计算对实验结果进行了深入分析。DFT计算不仅帮助我们理解Ru物种在热处理过程中的迁移行为，还揭示了其在不同结合位点上的热力学稳定性。通过这些计算，我们能够预测Ru物种在不同条件下的行为，并为实验设计提供指导。

综上所述，我们的研究揭示了热处理对Ru催化剂稳定性的重要影响。通过将Ru催化剂在氮气环境中加热至400°C，我们成功提升了其催化活性和稳定性。这一结果不仅为CO?氢化催化剂的设计提供了新的思路，还为催化剂的工业应用提供了理论支持。此外，我们的研究还强调了结合位点对催化剂稳定性的影响，表明强结合位点在维持Ru物种分散性方面起着关键作用。

在未来的研究中，我们计划进一步优化催化剂的结构，以提升其在不同反应条件下的稳定性。同时，我们也将探索其他类型的NDC材料，以寻找更高效的催化剂支持体系。此外，我们还希望通过实验和理论的结合，进一步揭示Ru催化剂在热处理过程中的行为机制，为催化剂的开发和应用提供更深入的理解。

这一研究不仅具有重要的理论意义，还对实际应用具有广泛的指导价值。通过提升Ru催化剂的稳定性，我们能够更有效地利用其催化活性，从而在CO?氢化反应中实现更高的转化率和选择性。此外，我们还希望通过优化催化剂的结构，进一步提升其在工业条件下的适用性。这将有助于推动绿色化学和可持续能源技术的发展，为减少温室气体排放和实现碳中和目标提供支持。

在实验和理论的双重验证下，我们的研究为Ru催化剂的稳定性提升提供了一个可行的策略。通过热处理，Ru物种能够从弱结合位点迁移至强结合位点，从而避免在反应过程中发生脱落或聚集。这一发现不仅丰富了催化剂设计的理论基础，还为实际应用提供了新的方向。同时，我们也希望通过进一步的研究，探索更多类型的催化剂支持体系，以寻找更高效的催化方法。

总之，这项研究在催化剂设计和稳定性提升方面取得了重要进展。通过热处理，我们成功提升了Ru催化剂的稳定性，并揭示了其在NDC材料上的行为机制。这一结果不仅为CO?氢化催化剂的开发提供了新的思路，还为催化剂的工业应用提供了理论支持。我们相信，这些研究成果将对未来的绿色化学和可持续能源技术发展产生深远影响。