催化劑被譽為現(xiàn)代化學工業(yè)的“心臟”，在眾多化學反應中發(fā)揮著不可替代的加速作用。貴金屬是催化劑的關(guān)鍵組分，其用量關(guān)乎化工過程的節(jié)能增效。天津大學新能源化工團隊創(chuàng)新提出“原子抽提”策略，將在催化中起關(guān)鍵作用的貴金屬鉑原子全部抽提到表面參與催化反應，利用率逼近100%。相關(guān)研究成果9月26日在線發(fā)表在國際期刊《科學》上。

天津大學供圖

在傳統(tǒng)催化反應中，貴金屬原子易聚集成較大顆粒，導致大量原子埋藏在顆粒內(nèi)部，無法參與表面反應，催化效率在低位徘徊。這一問題在丙烯生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝，丙烷脫氫中尤為突出。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)中約有高達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，嚴重制約了行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

面對這一挑戰(zhàn)，天津大學教授鞏金龍帶領(lǐng)研究團隊經(jīng)過近十年研究，開創(chuàng)性研發(fā)出“原子抽提”技術(shù)：通過在顆粒表面構(gòu)造可選擇性吸引貴金屬原子的結(jié)構(gòu)單元，將包埋在顆粒內(nèi)部的貴金屬原子逐一吸引到表面。

該策略的靈感來源于化工的“萃取”單元操作，其核心是利用錫原子作為特異性“原子磁鐵”。由于原子半徑較大，錫原子在鉑-銅合金中只能滯留于顆粒表層。憑借其對鉑極強的金屬吸引力，表層的錫原子能通過定向相互作用，將深藏于顆粒內(nèi)部的鉑原子逐層“抽提”至表面，使其完全暴露并形成均勻的活性位點。

經(jīng)該策略制備的催化劑，過去需要1噸來完成的任務(wù)，如今只需要200斤就可以完成，實現(xiàn)了近乎極致的原子經(jīng)濟性。在丙烷脫氫制丙烯等高溫苛刻反應中，該催化劑在鉑用量減少90%的前提下，仍表現(xiàn)出優(yōu)于現(xiàn)行商業(yè)催化劑的活性與穩(wěn)定性。

鞏金龍表示：“我們的研究跳出傳統(tǒng)‘分散單原子’的思維框架，通過原子級合金設(shè)計與界面調(diào)控，使貴金屬在催化過程中的原子利用率逼近理論極限，為高效催化劑的設(shè)計開拓了新路徑。”

據(jù)悉，該成果是我國在全球催化科技前沿的重大突破，不僅讓中國科研團隊在國際催化劑研發(fā)領(lǐng)域占據(jù)前沿，更為保障能源安全、推動綠色轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)“雙碳”目標提供了關(guān)鍵支撐，彰顯了我國在低碳化工領(lǐng)域的深厚積累。天津師范大學、北京大學及浙江工業(yè)大學參與了合作研究。