第一作者：吴建花，陈仲欣，杨科，周鑫

通讯作者：杨明，席识博，罗健平

通讯单位：香港理工大学应用物理系，新加坡科技研究局（A*STAR）化学、能源与环境可持续发展研究院，新加坡国立大学化学系

研究背景

在电催化反应中，动态调控催化中心的结构和电子态对于提升催化性能具有重要意义。相比传统固定构型催化剂，能够响应外部刺激实现可逆构型转变的体系，为实现“按需”调节反应路径和选择性提供了可能。然而，如何实现单原子到双原子活性中心的受控重构，并实时追踪其构型演化和催化行为，仍是当前材料设计与机制研究中的关键挑战。

本文基于1Tʹ-MoS₂这一硫空位富集的二维材料，构建了高载量的Cu与Pt单原子催化位点，通过施加外部电场驱动其可逆地重构为Cu–Pt异核双原子催化构型（DAC）。原位同步辐射 X射线吸收谱（XAS）和密度泛函理论（DFT）以及分子动力学模拟（MD）明确揭示，S–H键的质子化过程促使金属–硫键断裂与重排，从而实现了DAC构型的可控生成与释放。在苯乙炔的半氢化（氘代）反应中，该动态DAC催化剂表现出远超单原子体系的活性、选择性与稳定性。

该工作不仅提供了电场诱导原子级构型重构的实验范式，也展示了动态活性中心如何在反应过程中协同调节反应路径，为电催化剂的可编程设计和构效关系研究提供了新的理论基础。

来自新加坡国立大学化学系的罗健平教授与博士研究生吴建花（第一作者）首次研究了在电催化过程中，异核双原子在电场作用下的动态调控。合作者包括香港理工大学应用物理系的杨明教授，以及新加坡科技研究局（A*STAR）化学、能源与环境可持续发展研究院的席识博博士。

此处的“合作者”指的是共同通讯作者。

科学亮点

1. 通过电化学拔硫技术，在MoS₂表面制造大量空位，形成“原子级锚点”，成功负载超高密度的铜（Cu）和铂（Pt）单原子，为后续动态重组奠定基础。
2. 电场操控下的原子级重组：传统催化剂一旦制备完成，结构就固定不变。但这项研究打破了这一限制——Cu和Pt单原子可以在电场控制下可逆结合/分离，形成高活性的异核双原子催化剂（Cu-Pt DACs）！团队首次实现Cu–Pt异核双原子催化剂在二维MoS₂表面的电场诱导构建，具备动态可逆结构转换能力；

通过原位X射线吸收光谱和理论计算，团队发现：

施加负电压时，Cu和Pt单原子靠近，在MoS₂表面形成稳定的异核双原子结构（Cu-Pt DACs）键长仅2.6 Å；

关闭电场后，它们又“分道扬镳”，恢复为孤立单原子状态。

这一过程犹如“原子开关”，完全可逆且高度可控！

3. 协同作用：1+1 > 2

通过原位光谱+理论计算，团队发现：双原子协同调控吸附能。Cu负责强吸附炔烃，Pt负责高效活化氢。二者结合后，中间体结合能刚好合适，既加速反应又避免过度加氢。

图文解析

图 1. DAC 构建前驱结构与单原子锚定行为的多尺度表征。

图1系统呈现了异核双原子催化剂（DAC）构建的前驱过程与原子尺度下的空间定位策略。通过电化学脱硫手段在MoS₂表面引入高密度硫空位，诱导2H相向1Tʹ相转变，并显著提升其对金属单原子的锚定能力。该相变及空位结构的生成通过HAADF–STEM成像、EPR谱和拉曼光谱等多手段证实。后续采用电沉积方法将Cu与Pt分别负载于空位富集的MoS₂表面，形成高负载的单原子结构（Cu: 7.9 wt%，Pt: 6.7 wt%）。4D-STEM结合EELS分析揭示Cu原子主要位于Mo位之上（吸附位，Cu_ads），而Pt原子则表现出明显的替代型掺杂行为（Ptsub）。电荷密度映射进一步表明Cu位点具有更高的正电密度分布，暗示其更容易参与电荷转移及成键行为。上述异质位点的空间邻近性为电场诱导的Cu–Pt成键提供了结构基础，同时为后续构效关系研究奠定了微观前提。

图 2. 单原子配位环境与电子态分析验证异核前驱结构。

图2通过同步辐射X射线吸收近边结构（XANES）与扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）谱系，对Cu与Pt在MoS₂表面的配位环境及其分散态进行定量解析。XANES谱显示，Pt在L₃-edge处的白线强度显著低于PtO₂及H₂PtCl₆参比样，表明其处于较低氧化态（+2）；而Cu的K-edge谱证实其为+1价态，符合其三配位吸附位构型。EXAFS傅里叶变换谱进一步揭示Cu–S（~1.7 Å）与Pt–S（~1.9 Å）配位距，均无金属–金属散射信号，验证了金属单原子的孤立分布。理论建模进一步支持了实验发现，通过构建Cu_ads–Pt_sub模型并与实验XANES谱进行拟合，获得高度匹配的理论曲线。此外，模拟结果表明Pt更易与S形成稳定的四配位结构，Cu则倾向于以较低配位数吸附于表面，电子结构与配位环境高度协同。整体结果清晰地确认了异核DAC的可能构型，并为电场响应过程中的动态调控提供了精确的结构参照。

图 3. 电场诱导 Cu–Pt 成键过程的原位解析与机制建模。

图3围绕DAC的电场响应行为展开，重点揭示了Cu–Pt成键过程的电压依赖性与可逆性。原位 XANES与EXAFS测量表明，在负偏压（–0.9 V至–1.5 V vs. Ag/AgCl）施加过程中，Pt的L₃-edge白线强度逐步降低，同时EXAFS主峰从Pt–S位置（~1.90 Å）向Pt–Cu键长（~2.18 Å）迁移，指示Pt–Cu成键的发生。Cu通道亦呈现类似行为，K-edge谱峰位移与EXAFS信号变化共同表征了Cu–S键向Cu–Pt配对状态的转换。该成键过程在电场撤除后完全可逆，原子重归单原子分散态，表明DAC构型受电场精确调控。第一性原理计算指出，负电压诱导S原子质子化生成S–H键，从而降低金属–S键合强度，协助金属原子迁移与重构。Cu向Pt邻位迁移的能垒约为0.48 eV，而解键回归SAC态的能垒为0.49 eV，证实构型转换具备高度可逆性与能量可控性。该图清晰地描绘了在外场作用下SAC–DAC之间动态转化的完整路径，强调了电场对构型重构的“栅控效应”。

图 4. Cu–Pt DAC 在苯乙炔电催化氘代反应中的性能表现。

图4通过系统催化测试验证了Cu–Pt DAC在电催化半氢化反应中的优越表现。在苯乙炔的电化学氘代反应中，Cu1Pt1–MoS₂表现出近乎定量的转化率（99%）与选择性，显著优于单一Cu或Pt SAC。相比之下，Pt SAC易发生过氢化，生成非目标产物；而Cu SAC虽具较高选择性，但整体活性较弱。DAC体系则兼具二者优势，在–0.9 V至–1.7 V的电位窗口内表现出优异稳定性与催化效率，起始电位显著前移，表明其具有较低反应热力学门槛。DAC催化剂在80 min内即可完成反应，单位位点的TOF高达5828 h⁻¹，远高于对照组。在循环使用与克级反应体系中，仍维持高转化与高选择性，展现出优异的操作稳定性与实际应用潜力。上述结果充分证实，Cu–Pt异核协同作用显著优化了反应路径与电子结构，是提升半氢化选择性与活性的关键因素。

图 5. DAC 催化反应路径及电子结构调控机制。

图5系统阐释了DAC结构提升反应选择性的本质机制。通过原位DRIFTS及TPD实验，观察到苯乙炔在DAC位点上具有更强吸附能力与较高脱附温度，说明DAC提供了适度的吸附强度，有助于中间体的稳定存在而非过度反应。原位红外与拉曼光谱进一步解析了C≡C与=C–H的动态振动模变化，揭示了DAC在电场下的活化过程及π键作用调控特性。DFT能垒计算表明，在DAC构型下，从中间体苯乙烯（C6H5–C2H3）进一步加氢为乙基苯所需的自由能障更高（+0.56 eV），相较于Pt或Cu SAC更难发生，从而提高了半氢化选择性。PDOS与COHP分析指出，DAC位点诱导了中间体电子态向Fermi能级远离，且C=C键较C–C键更稳定，Bader电荷分析显示末端碳位带负电荷增强，进一步抑制了过氢化发生。以上结果系统揭示了DAC在电子结构层面如何通过调控π键作用、轨道填充与反应自由能，实现对目标产物选择性的精准引导。

总结与展望

本研究以缺陷工程调控的1Tʹ-MoS₂为载体，成功实现了Cu与Pt单原子的超高负载、稳定锚定与空间近邻布置，并通过外加电场诱导其在反应条件下形成异核双原子催化构型（DAC）。原位 XAS 结合第一性原理计算和分子动力学模拟系统揭示了Cu–Pt键的动态生成与可逆性机制，明确了其受S–H键质子化状态调控。该可逆构型不仅赋予催化剂以动态调节活性中心的能力，更在电催化苯乙炔半氢化反应中展现出优异的活性、选择性及稳定性，显著优于传统单原子或纳米粒子催化剂体系。更重要的是，该体系具备较高的结构稳定性与实际工艺兼容性，已成功实现克级规模反应，展现良好放大前景。

展望未来，该“电场可控构型重构”策略有望进一步拓展至更多异种金属体系与其他二维载体，推动电催化剂设计由“静态结构”向“动态可控结构”迈进。通过调控反应外场条件实现对催化中心电子态、几何构型和反应路径的精准操控，将为构效关系研究、原子级机制解析及高性能电催化剂开发提供全新范式。

作者介绍

罗健平教授于1994年获得新加坡国立大学化学系学士（荣誉）学位，并于1996年在牛津大学物理与理论化学实验室取得博士学位。他现任新加坡国立大学化学系教授。近年来，罗教授的研究聚焦于二维材料的生长、电子材料科学及器件开发，包括二维共价有机框架、二维杂化钙钛矿及二维拓扑量子材料等领域。他于2018至2024年间连续入选科睿唯安“高被引科学家”名单，并于2015年当选亚太材料科学院院士，2024年成为新加坡国家科学院院士。此外，他曾在2014年荣获新加坡总统科学奖，2013年获得美国化学会纳米讲座奖。

吴建花，新加坡国立大学化学系罗健平组博士生，2020年于中国科学技术大学获得硕士学位。研究方向为二维材料单原子催化剂的设计与性能表征。

杨明博士目前是香港理工大学应用物理系助理教授、担任IEEE电子器件协会香港分会秘书、 IEEE Transactions on Emerging Topics in Computational Intelligence期刊副主编。杨明博士毕业于新加坡国立大学物理系，曾在新加坡材料工程研究所(IMRE)担任研究员。杨明博士主要研究兴趣是通过高通量筛选、高通量第一性计算、基于物理的机器学习等技术加速设计、研发功能材料，开发基于二维材料的高性能器件等。杨明博士目前已在Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology、 Nature Electronics、 Nature Communications、Adv. Materials、JACS等知名期刊上发表超过190篇论文（被引用超过8200、H-index 46， 根据google scholar 2025年5月统计）， 参与编写二维材料等相关2部专著、并申请3项PCT专利。

席识博是新加坡科技研究局（A*STAR）下属的化工，能源与环境可持续发展研究院（ISCE2）的Senior Scientist II，并担任新加坡国立大学新加坡光源（SSLS）XAFCA实验室负责人。博士毕业于高能物理研究所同步辐射实验室。研究活动聚焦于于同步辐射光束线建设和优化维护，并在软X射线和硬X射线吸收谱方法学、吸收谱数据处理解析和吸收谱理论计算等方面有丰富经验。在工作期间，搭建了具有国际领先水平的原位催化吸收谱表征实验站。培训并维护了新加坡本地的吸收谱用户群体。

推荐阅读

Wu, J. et al. *Electric bias-induced reversible configuration of single and heteronuclear dual-atom catalysts on 1Tʹ-MoS₂.* Nature Nanotechnology (2025).

https://www.nature.com/articles/s41565-025-01934-z