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9月26日，《科學(xué)》（Science）雜志刊發(fā)天津大學(xué)新能源化工團隊在貴金屬催化領(lǐng)域的重要進展。團隊提出“原子抽提”新策略，實現(xiàn)了貴金屬催化劑中原子利用率接近100%，為低碳高效的化工生產(chǎn)開辟了新路徑。

催化劑被譽為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的“心臟”，在眾多化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮著不可替代的加速作用。貴金屬是催化劑中的關(guān)鍵組分，其用量關(guān)乎化工過程的節(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。如何最大化貴金屬利用效率、突破其原子經(jīng)濟性極限，已成為國際化工領(lǐng)域競相爭奪的科技制高點。

在傳統(tǒng)催化劑中，貴金屬原子易聚集成較大顆粒，導(dǎo)致大量原子埋藏在顆粒內(nèi)部，無法參與表面反應(yīng)，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(dá)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)重制約了行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

面對這一挑戰(zhàn)，天津大學(xué)新能源化工團隊在團隊負(fù)責(zé)人鞏金龍教授帶領(lǐng)下，經(jīng)過近十年潛心研究，開創(chuàng)性地研發(fā)出“原子抽提”技術(shù)：通過在銅（Cu）納米顆粒中引入錫原子(Sn)，利用Sn原子半徑大于Cu使Sn偏析到表面，而Sn與鉑（Pt）之間存在強相互作用可以將嵌入銅晶格內(nèi)Pt 原子“抽提”至表面。該策略實現(xiàn)了近百分之百的貴金屬原子表面分散度，并以金屬態(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?，并具備更?yōu)的穩(wěn)定性和選擇性。這項突破成功解決了丙烯產(chǎn)業(yè)長期面臨的催化劑成本高、貴金屬資源依賴強等關(guān)鍵瓶頸，為推動化工行業(yè)向“低耗、高效、綠色”轉(zhuǎn)型提供了重要技術(shù)支撐。

據(jù)該論文共同第一作者、天津大學(xué)化工學(xué)院孫國棟博士介紹：“下一步，團隊將繼續(xù)深耕烯烴生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，助力我國自主掌握下一代烯烴生產(chǎn)催化劑的關(guān)鍵核心技術(shù)，推動化工行業(yè)向更環(huán)保、高效、可持續(xù)的方向發(fā)展。”

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。

據(jù)悉，該技術(shù)為丙烯乃至整個化工行業(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)研究的深厚積累。

2、登上《Science》封面！天大又有突破性研究成果→

2024年7月，《科學(xué)》雜志以封面論文形式刊發(fā)天津大學(xué)新能源化工團隊突破性研究成果，團隊成功研發(fā)出廉價綠色丙烯生產(chǎn)催化劑，為低碳烯烴生產(chǎn)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展奠定了催化科學(xué)基礎(chǔ)。