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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鍵組分，其用量關乎化工過程的節(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%。相關研究成果9月26日在線發(fā)表在國際期刊《科學》上。

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)藥等領域重要的基礎原料，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：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，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，為高效催化劑的設計開拓了新路徑?！?/p>

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”目標提供了關鍵支撐，彰顯了我國在低碳化工領域的深厚積累。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。

（天津大學供圖）