在多相催化领域，原子级催化剂（如单、双原子催化剂）因其高原子利用率和优异催化活性备受关注。然而，活性金属原子在反应过程中易发生迁移、聚集或失活，导致性能衰减，这一瓶颈问题长期制约其实际应用，尤其是在多步复杂反应或苛刻反应条件下的应用。如何设计在工况条件下兼具高活性和超强稳定性的原子级催化剂，并揭示其微观结构的动态演化规律，成为催化和材料科学领域的核心挑战之一。

近日，合肥综合性科学中心环境研究院黄行九科研团队结合原位同步辐射光谱技术、DFT计算和实验电化学等手段，揭示了电压驱动下Pd-Cu双金属单原子的动态弹簧效应，极大地提高了其在强酸性条件下对六价铬（Cr(VI)）电催化还原的反应活性和稳定性，对工况条件下高活性和高稳定性的原子级催化剂的设计与构筑提供重要的指导意义和研究新思路。

相关结果以题为“Potential-Driven Dynamic Spring-Effect of Pd-Cu Dual-Atoms Empowered Stability and Activity for Electrocatalytic Reduction”发表在国际顶级期刊Advanced Science (Adv. Sci. 2025, 2501393)上，合肥综合性科学中心环境研究院为第一完成单位。

该研究通过Cu2?与钯金属源中NH?的强螯合作用，构建了高稳定的Pd-Cu DAC双原子催化剂（图1）。该催化剂在强酸中实现了低过电位下Cr(VI)的高效电催化还原检测，展现出超高转换频率、0.51μA ppb?1的响应灵敏度及0.63 ppb的低检测限。利用原位XAFS光谱实时捕捉发现（图2）：当电位从0.8 V扫描至-0.6V时，Cu的氧化态在+2和+1之间可逆降低；同时，Cu-Pd和Cu-N键键长随电位发生可逆拉伸，并在0.6 V恢复。这种“弹簧”般的动态行为及电子轨道耦合效应抑制了Cu原子迁移聚集，确保了催化剂在苛刻条件下的结构稳定性和循环鲁棒性，并提升了活性。相比之下，无Pd原子偶联的Cu单原子催化剂在电位变化下会不可逆地形成二聚体或纳米粒子，导致失活。Pd-Cu双原子位点协同作用，分别与H₂CrO₄的两个O原子键合形成稳定桥接构型，建立高效电子传递通道，促进Cr-O键解离，并通过动态键长调整优化中间体吸附能，显著降低还原反应能垒。

图1  Pd-Cu双金属单原子催化的形貌与结构表征

图2  原位XAFS技术探究Cr(VI)电催化还原过程中Pd-Cu双原子的动态结构演变

该项工作通过原子级精准设计与原位动态表征，揭示了双原子催化剂的结构稳定机制与活性增强原理，不仅为复杂反应环境下的原子级催化剂的理性设计开辟了新路径，更为原位追踪催化动态过程提供了方法论借鉴，将进一步推动原子级催化技术迈向实际应用，为环境污染物监测与处理提供关键技术支撑。