清华大学「国家杰青」王定胜&南京林业大学王佳&首都师范大学孙文明最新JACS丨RhRu双原子催化PS高选择性产甲苯!

废塑料资源化利用的核心难题不只是“能否降解”，更在于能否把复杂聚合物高选择性转化为单一、高价值小分子。传统热解往往生成宽分布烯烃，产物不稳定且分离困难；加氢裂化虽然能降低不饱和度，但通常仍得到复杂烃类混合物，限制了后续化学品应用。

双原子催化剂为这类多步反应提供了新的活性位点设计思路。与单原子催化剂相比，相邻金属原子之间存在电子耦合和空间协同，可分别承担吸附、活化和键断裂等不同功能，因此有望在塑料降解中同时提高活性与选择性。

不过，氮掺杂碳负载的原子级金属位点在高温反应中容易迁移、团聚，稳定性是实际应用前必须解决的问题。该研究围绕“高选择性产甲苯”和“高温稳定双原子位点”两个目标，设计了RhRu-NC双原子催化剂与串联固定床体系。

近日，清华大学王定胜、南京林业大学王佳、首都师范大学孙文明在Journal of the American Chemical Society发表了题为"Bifunctional RhRu Dual-Atom Catalyst Drives the Tandem Degradation of Polystyrene for Highly Selective Production of Toluene"的研究论文，Runze Li为论文第一作者，王定胜、王佳、孙文明为论文通讯作者。

核心亮点

1. 提出RhRu-NC双原子催化剂，用于聚苯乙烯定向降解制备高附加值甲苯。

2. 在串联反应器中实现84.5%液体产率，液相产物中甲苯选择性高达96.1%。

3. RhRu-NC显著优于对应Rh-NC和Ru-NC单原子催化剂，说明相邻Rh-Ru双位点并非简单叠加。

4. 催化剂可处理AS、ABS、HIPS、EPS和真实KFC塑料盖等废塑料，甲苯选择性保持在约95%。

5. DFT与实验共同表明，Ru位点优先吸附苯乙烯，邻近Rh位点解离H₂，从而突破空间限制并降低C-C键断裂能垒。

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将聚合物解聚为高附加值小分子是废塑料升级利用的有效策略。然而，降解产物分布宽、选择性低，给下游应用带来挑战。

该研究创新性提出一种双功能RhRu双原子催化剂，并通过串联反应器体系实现聚苯乙烯向甲苯的定向转化，液相产物中甲苯选择性达到96.1%。RhRu-NC的催化效率明显超过相应单原子催化剂，并表现出优异稳定性。

该体系同样适用于多种真实塑料废弃物的降解。理论计算和实验结果表明，RhRu-NC中的金属活性位点具有双功能特征：由于C=C键与Ru d轨道之间存在有利相互作用，苯乙烯优先吸附在Ru位点；同时，H₂在邻近的未被苯乙烯占据的Rh位点上解离。

双原子结构克服了空间限制，加速C-C键断裂，并共同驱动甲苯的高选择性生成。该双功能RhRu双原子催化剂为原子级催化剂设计提供了新认识，并拓展了其在塑料降解中的应用潜力。

📊 图文解读

图1 | 展示聚苯乙烯串联降解制甲苯的反应思路以及RhRu-NC双原子催化剂的冻干-热解合成路线。

该团队采用加压流通式串联固定床反应器，将聚苯乙烯先加氢热解生成气相中间体，再直接进入第二段催化加氢裂化，避免中间冷凝过程。

RhRu-NC通过葡萄糖、羟胺盐酸盐和RhCl₃/RuCl₃前驱体混合、冻干和惰性气氛热解获得，形成氮掺杂石墨烯负载的RhRu双原子位点。

图2 | 多尺度显微和XPS表征证明Rh、Ru以原子级分散形式锚定在氮掺杂碳载体上，并存在电子耦合。

TEM和HR-TEM未观察到金属颗粒或团簇，EDS元素映射显示Rh、Ru在氮掺杂碳载体上均匀分布。AC HAADF-STEM进一步直接观察到相邻金属亮点，100组相邻位点统计得到Rh-Ru平均距离为2.41 Å。XPS显示RhRu-NC中Rh和Ru结合能高于单原子样品，说明双金属相邻位点诱导电子重新分布。

图3 | XAFS系统揭示RhRu-NC中Rh、Ru均为氮配位原子级位点，并确认Rh-Ru相邻结构与配位环境变化。

Rh K边和Ru K边XANES显示Rh接近+3价，Ru处于0到+4之间且在RhRu-NC中氧化态更高。EXAFS主峰位于约1.5 Å，对应Rh-N和Ru-N配位，未出现Rh-Rh或Ru-Ru金属散射峰。

小波变换和EXAFS拟合进一步证明Rh、Ru各与四个N原子配位，并存在一个Rh-Ru路径，支撑双原子结构模型。

图4 | 催化测试表明RhRu-NC可高选择性催化聚苯乙烯及真实塑料废弃物转化为甲苯，并保持优异稳定性。

以苯乙烯为模型底物时，RhRu-NC在350 °C、0.2 MPa下实现100%转化和99.2%甲苯选择性，而Rh-NC和Ru-NC主要生成乙苯。用于聚苯乙烯串联降解时，液体产率为84.5%，液相甲苯选择性达96.1%。

对AS、ABS、HIPS、EPS和KFC塑料盖测试后，甲苯选择性仍约95%；50次循环后性能几乎不衰减，结构表征也显示双原子位点保持稳定。

图5 | DFT计算阐明RhRu双原子位点通过Ru吸附苯乙烯和Rh活化氢物种协同降低C-C键断裂能垒。

基于表征结果，研究人员构建N₂-Rh-N₂-Ru-N₂模型，Rh和Ru均由四个N原子配位，Rh-Ru距离约2.39 Å。计算显示苯乙烯通过C=C键优先吸附在Ru位点，H物种可在邻近Rh或桥连N位点参与反应。

相比直接C-C断裂1.89 eV的高能垒，先氢化再断裂路径最低能垒降至1.15 eV，从而解释高甲苯选择性来源。

📝 总结

该研究开发了一种RhRu-NC双原子催化剂，并结合加压流通式串联固定床反应器，实现了聚苯乙烯向甲苯的高选择性升级转化。

实验结果显示，RhRu-NC可在液相产物中获得96.1%的甲苯选择性，显著优于对应Rh-NC和Ru-NC单原子催化剂，并可有效处理多种真实塑料废弃物。结构表征证明，Rh和Ru以原子级分散形式锚定于氮掺杂碳载体，形成稳定相邻双原子位点。

理论计算进一步揭示，Ru位点负责优先吸附苯乙烯，邻近Rh位点促进H₂解离和氢物种参与反应，二者协同降低C-C键断裂能垒。该工作为废塑料定向转化和原子级双功能催化剂设计提供了新的机制认识与材料范式。

Bifunctional RhRu Dual-Atom Catalyst Drives the Tandem Degradation of Polystyrene for Highly Selective Production of Toluene,Journal of the American Chemical Society,2026,DOI:10.1021/jacs.6c08391