在本文中，作者报道了一种理性设计的单氮桥联Co-Ru双原子催化剂（CoRu-N-C），负载于氮掺杂碳基底上，实现了在常温常压下的高效氨氧化反应。

在35 °C、1 bar空气条件下，CoRu-N-C催化2-呋喃甲腈（FAN）的产率达到98%，生产效率为73 mmol/g_-metal/h，相较于Co-N-C提升了3.5倍，并优于众多已报道的贵金属/非贵金属催化剂。

机理研究表明，低配位的CoN₃和RuN₃位点在O₂与亚胺的协同吸附中发挥关键作用，缓解了亚胺对氧活化的抑制作用。具体而言，CoN₃位点通过电子转移强烈吸附O₂并生成超氧自由基（O₂^-•），与邻近吸附的亚胺形成接力机制，从而加速整体反应动力学。

本工作为设计在温和条件下稳定且高效的氨氧化催化剂提供了重要见解。

图1：醛/醇氨氧化制备腈的代表性工作。

图2：催化剂表征。a CoRu-N-C催化剂的合成示意图。b CoRu-N-C、Co-N-C和N-C的XRD谱图。c CoRu-N-C、Co-N-C和N-C的Co 2p XPS谱图。d CoRu-N-C的Ru 3p XPS谱图。e CoRu-N-C的Ru 3d XPS谱图。f CoRu-N-C的TEM图像。g, i CoRu-N-C的AC HAADF-STEM图像。虚线圆圈表示单个Co原子，虚线框表示Co/Ru双原子。h 相应的元素分布图。j 图g中区域1和区域2的三维（3D）强度表面图和强度范围显示。k 双单原子间距统计。

图3：催化剂的X射线吸收光谱。a Co K边XANES谱图。b Ru K边XANES谱图。c CoRu-N-C的Co K边EXAFS谱图拟合。d CoRu-N-C的Ru K边EXAFS谱图拟合。e CoRu-N-C中Co元素的连续变换图。f CoRu-N-C中Ru元素的连续变换图。g CoRuN结构模型。h CoN结构单元。

图4：糠醛氨氧化催化性能。a 糠醛氨氧化的催化剂筛选。b Co-N-C上糠醛氨氧化的时间曲线。c CoRu-N-C上糠醛氨氧化的时间曲线。d 计算Co-N-C和CoRu-N-C在2小时时的糠腈产率。e 代表性贵金属和非贵金属催化剂用于糠醛氨氧化的性能比较。f CoRu-N-C用于糠醛氨氧化的循环使用性能。

图5：各种醛的催化氨氧化。

图6：糠醛氨氧化机理。a 糠醛氨氧化的对照催化剂。b CoRu-N-C上氧分压和氨水用量的反应级数。c 自由基清除剂对CoRu-N-C上糠醛氨氧化的影响。d 在Co-N-C和CoRu-N-C存在下，用DMPO标记的超氧自由基加合物信号的EPR谱图。e Co-N-C和CoRu-N-C上氧分压的反应级数。f Co-N-C和CoRu-N-C上的原位CO氧化。

图7：反应路径和活性位点的密度泛函理论（DFT）计算。a O₂和亚胺在Co-N-C和CoRu-N-C最合理共吸附结构上的吸附能。b 亚胺吸附的Co-N-C和 c 亚胺吸附的CoRu-N-C催化剂的平面平均电荷密度差图。d 在NH₃和O₂存在下，糠醛在CoRu-N-C上吸附的原位FTIR光谱。e CoRu-N-C上糠醛氨氧化的 proposed 反应机理。f 糠醛氨氧化生成糠腈在Co-N-C和CoRu-N-C上的反应路径能量分布及中间体结构。

综上，作者开发了一种以氮桥联的Co-Ru双原子催化剂（CoRu-N-C），实现了在常温常压下高效将生物质来源的醛类/醇类化合物氨氧化为腈类产物，显著突破了传统催化体系中因N物种竞争吸附导致效率低、反应条件苛刻的瓶颈。

通过精确构建低配位的CoN₃和RuN₃双活性位点，该催化剂在35°C、1 bar空气条件下实现了98%的2-呋喃甲腈产率，性能远超单原子催化剂和多数贵金属/非贵金属催化剂。

实验与密度泛函理论（DFT）计算共同揭示了CoN₃位点高效吸附O₂并生成超氧自由基（O₂^-•），而RuN₃位点则优先吸附亚胺中间体，二者协同作用有效缓解了吸附竞争问题，促进了C-H和N-H键的断裂，从而加速了反应进程。

该催化剂还展现出优异的底物普适性和循环稳定性，适用于多种芳香、脂肪及杂环醛类/醇类的氨氧化反应。

这一基于双原子位点的协同催化策略为开发温和条件下的高效选择氧化催化剂提供了新范式，不仅拓展了单原子催化剂的边界，也为生物质高值化转化、绿色腈类合成及可持续化工过程提供了理论依据和技术路径。