我国科学家实现催化剂中贵金属利用率逼近100%
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催化剂被誉为现代化学工业的“心脏”，在众多化学反应中发挥着不可替代的加速作用。贵金属是催化剂的关键组分，其用量关乎化工过程的节能增效。天津大学新能源化工团队创新提出“原子抽提”策略，将在催化中起关键作用的贵金属铂原子全部抽提到表面参与催化反应，利用率逼近100%。相关研究成果9月26日在线发表在国际期刊《科学》上。
在传统催化反应中，贵金属原子易聚集成较大颗粒，导致大量原子埋藏在颗粒内部，无法参与表面反应，催化效率在低位徘徊。这一问题在丙烯生产的关键工艺，丙烷脱氢中尤为突出。丙烯是世界上产量最大的化工品之一，是塑料、橡胶、纤维、医药等领域重要的基础原料，2024年中国丙烯产量占全球总产量三分之一，总产值超过6000亿元人民币。丙烷脱氢生产中约有高达三分之二的工艺采用贵金属催化剂，但传统催化剂依赖稀缺贵金属、原子利用率低，严重制约了行业可持续发展。
面对这一挑战，天津大学教授巩金龙带领研究团队经过近十年研究，开创性研发出“原子抽提”技术：通过在颗粒表面构造可选择性吸引贵金属原子的结构单元，将包埋在颗粒内部的贵金属原子逐一吸引到表面。
该策略的灵感来源于化工的“萃取”单元操作，其核心是利用锡原子作为特异性“原子磁铁”。由于原子半径较大，锡原子在铂-铜合金中只能滞留于颗粒表层。凭借其对铂极强的金属吸引力，表层的锡原子能通过定向相互作用，将深藏于颗粒内部的铂原子逐层“抽提”至表面，使其完全暴露并形成均匀的活性位点。
新能源化工团队负责人巩金龙教授（右一）与团队成员交流讨论实验方案
新能源化工团队成员在进行催化剂的性能表征测试（天津大学供图）
经该策略制备的催化剂，过去需要1吨来完成的任务，如今只需要200斤就可以完成，实现了近乎极致的原子经济性。在丙烷脱氢制丙烯等高温苛刻反应中，该催化剂在铂用量减少90%的前提下，仍表现出优于现行商业催化剂的活性与稳定性。
巩金龙表示：“我们的研究跳出传统‘分散单原子’的思维框架，通过原子级合金设计与界面调控，使贵金属在催化过程中的原子利用率逼近理论极限，为高效催化剂的设计开拓了新路径。”
据悉，该成果是我国在全球催化科技前沿的重大突破，不仅让中国科研团队在国际催化剂研发领域占据前沿，更为保障能源安全、推动绿色转型、实现“双碳”目标提供了关键支撑，彰显了我国在低碳化工领域的深厚积累。天津师范大学、北京大学及浙江工业大学参与了合作研究。
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