喚醒催化劑里每一個(gè)“沉睡”的貴金屬原子，讓它們在與元素的“共舞”中釋放全部活力。這件看似難以想象的事，在天津大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)手中成為了現(xiàn)實(shí)，相關(guān)成果還刊登于《科學(xué)》（Science）期刊。

催化劑被稱作現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的“心臟”，在眾多化學(xué)反應(yīng)中有著不可替代的加速作用。貴金屬是催化劑的關(guān)鍵成分，其使用量關(guān)系到化工過程的節(jié)能增效，是化工產(chǎn)業(yè)低碳變革和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵“卡口”。2024年，全球催化劑貴金屬市場規(guī)模已接近2000億元。如何最大程度提高貴金屬利用效率、突破其原子經(jīng)濟(jì)性極限，成為國際化工領(lǐng)域爭奪的科技制高點(diǎn)。

9月26日，《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了天津大學(xué)新能源化工團(tuán)隊(duì)題為《原子抽提實(shí)現(xiàn)丙烷脫氫反應(yīng)中貴金屬全利用》的研究論文。該研究創(chuàng)新性地提出“原子抽提”策略，把在催化中起關(guān)鍵作用的貴金屬鉑原子全部抽提到表面參與催化反應(yīng)，利用率接近100%。這一突破為新一代高效、低成本催化劑的設(shè)計(jì)與制備開辟了新道路，讓貴金屬原子的催化價(jià)值得到極致發(fā)揮，有助于化工生產(chǎn)更加低碳、高效、可持續(xù)。

“原子抽提”示意圖

在傳統(tǒng)催化反應(yīng)中，貴金屬原子容易聚集成較大顆粒，大量原子被埋藏在顆粒內(nèi)部，無法參與表面反應(yīng)，導(dǎo)致催化效率較低。這一問題在丙烯生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝——丙烷脫氫中尤為明顯。丙烯是世界上產(chǎn)量最大的化工品之一，是塑料、橡膠、纖維、醫(yī)藥等領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)原料。2024年中國丙烯產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量三分之一，總產(chǎn)值超過6000億元人民幣。丙烷脫氫生產(chǎn)中約有三分之二的工藝采用貴金屬催化劑，但傳統(tǒng)催化劑依賴稀缺貴金屬、原子利用率低，嚴(yán)重限制了行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

貴金屬表面分散度與催化劑性能關(guān)系示意圖

面對這一挑戰(zhàn)，在團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人鞏金龍教授的帶領(lǐng)下，天津大學(xué)新能源化工團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近十年的潛心研究，開創(chuàng)性地研發(fā)出“原子抽提”技術(shù)：在銅（Cu）納米顆粒中引入錫原子(Sn)，由于Sn原子半徑大于Cu，Sn會(huì)偏析到表面，且Sn與鉑（Pt）之間存在強(qiáng)相互作用，能將嵌入銅晶格內(nèi)的Pt原子“抽提”至表面。該策略實(shí)現(xiàn)了近百分之百的貴金屬原子表面分散度，且原子以金屬態(tài)穩(wěn)定存在。在丙烷脫氫工業(yè)相關(guān)反應(yīng)條件下，所開發(fā)的催化劑在Pt用量僅為類商用催化劑十分之一的情況下，仍表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)拇呋钚裕瑫r(shí)具備更優(yōu)的穩(wěn)定性和選擇性。這項(xiàng)突破成功解決了丙烯產(chǎn)業(yè)長期面臨的催化劑成本高、貴金屬資源依賴強(qiáng)等關(guān)鍵難題，為推動(dòng)化工行業(yè)向“低耗、高效、綠色”轉(zhuǎn)型提供了重要技術(shù)支持。

天津師范大學(xué)、北京大學(xué)及浙江工業(yè)大學(xué)也參與了合作研究。

鞏金龍表示：“該成果不僅實(shí)現(xiàn)了接近百分之百的貴金屬原子利用率，也為高效催化劑的設(shè)計(jì)開拓了新路徑。我們將持續(xù)推動(dòng)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用實(shí)踐的深度融合，為化工行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵技術(shù)支撐?！?/p>

據(jù)悉，該技術(shù)為丙烯乃至整個(gè)化工行業(yè)提供了一條低成本、可持續(xù)的技術(shù)路徑，是中國在全球催化科技前沿的一次突破，彰顯了我國在低碳化工領(lǐng)域前沿基礎(chǔ)研究的深厚積淀。

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