天大再登《科学》！实现贵金属近100%利用率

唤醒催化剂里每一个“沉睡”的贵金属原子，让它们在与元素的“共舞”中释放全部活力。这件看似难以想象的事，在天津大学科研团队手中成为了现实，相关成果还刊登于《科学》（Science）期刊。

催化剂被称作现代化学工业的“心脏”，在众多化学反应中有着不可替代的加速作用。贵金属是催化剂的关键成分，其使用量关系到化工过程的节能增效，是化工产业低碳变革和可持续发展的关键“卡口”。2024年，全球催化剂贵金属市场规模已接近2000亿元。如何最大程度提高贵金属利用效率、突破其原子经济性极限，成为国际化工领域争夺的科技制高点。

9月26日，《科学》（Science）在线发表了天津大学新能源化工团队题为《原子抽提实现丙烷脱氢反应中贵金属全利用》的研究论文。该研究创新性地提出“原子抽提”策略，把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，利用率接近100%。这一突破为新一代高效、低成本催化剂的设计与制备开辟了新道路，让贵金属原子的催化价值得到极致发挥，有助于化工生产更加低碳、高效、可持续。

“原子抽提”示意图

在传统催化反应中，贵金属原子容易聚集成较大颗粒，大量原子被埋藏在颗粒内部，无法参与表面反应，导致催化效率较低。这一问题在丙烯生产的关键工艺——丙烷脱氢中尤为明显。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，严重限制了行业的可持续发展。

贵金属表面分散度与催化剂性能关系示意图

面对这一挑战，在团队负责人巩金龙教授的带领下，天津大学新能源化工团队经过近十年的潜心研究，开创性地研发出“原子抽提”技术：在铜（Cu）纳米颗粒中引入锡原子(Sn)，由于Sn原子半径大于Cu，Sn会偏析到表面，且Sn与铂（Pt）之间存在强相互作用，能将嵌入铜晶格内的Pt原子“抽提”至表面。该策略实现了近百分之百的贵金属原子表面分散度，且原子以金属态稳定存在。在丙烷脱氢工业相关反应条件下，所开发的催化剂在Pt用量仅为类商用催化剂十分之一的情况下，仍表现出相当的催化活性，同时具备更优的稳定性和选择性。这项突破成功解决了丙烯产业长期面临的催化剂成本高、贵金属资源依赖强等关键难题，为推动化工行业向“低耗、高效、绿色”转型提供了重要技术支持。

天津师范大学、北京大学及浙江工业大学也参与了合作研究。

巩金龙表示：“该成果不仅实现了接近百分之百的贵金属原子利用率，也为高效催化剂的设计开拓了新路径。我们将持续推动基础研究与应用实践的深度融合，为化工行业绿色低碳转型提供关键技术支撑。”

据悉，该技术为丙烯乃至整个化工行业提供了一条低成本、可持续的技术路径，是中国在全球催化科技前沿的一次突破，彰显了我国在低碳化工领域前沿基础研究的深厚积淀。

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