9月26日，《科学》（Science）杂志刊发天津大学新能源化工团队在贵金属催化领域的重要进展。团队提出“原子抽提”新策略，实现了贵金属催化剂中原子利用率接近100%，为低碳高效的化工生产开辟了新路径。
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。贵金属是催化剂中的关键组分，其用量关乎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。如何最大化贵金属利用效率、突破其原子经济性极限，已成为国际化工领域竞相争夺的科技制高点。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，天津大学新能源化工团队在团队负责人巩金龙教授带领下，经过近十年潜心研究，开创性地研发出“原子抽提”技术：通过在铂铜（PtCu)单原子合金中引入锡（Sn），让包埋在Cu纳米颗粒内部的Pt单原子被牵引到颗粒表面，并以金属态稳定存在。该策略实现了近百分之百的贵金属原子表面分散度。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，并具备更优的稳定性和选择性。结构表征与机理研究表明，Sn更易位于Cu表面，且Pt-Sn键作用比Pt-Cu、Sn-Cu 更强，这能显著提高Pt朝表面迁移的倾向，最终Pt的表面分散度接近100%。这一特殊表面结构会弱化丙烯（C3H6）对Pt的吸附，但对丙烯生成中间体丙基（C3H7）的线性吸附影响较小，有利于丙烯脱附并抑制深度脱氢路径，从而提高选择性。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核心瓶颈，为推动化工行业向“低耗、高效、绿色”转型提供了关键技术支撑。
据该论文共同第一作者、天津大学化工学院孙国栋博士介绍：“下一步，团队将继续深耕烯烃生产技术领域，助力我国自主掌握下一代烯烃生产催化剂的关键核心技术，推动化工行业向更环保、高效、可持续的方向发展。”
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。
近年来，天津大学新能源化工团队围绕“双碳”战略，面向世界科技前沿和国家重大需求，开展理论和应用基础研究，持续推进低碳能源化工技术的革新，把成果从“书架”搬到“货架”。团队开发基于人工智能与大数据的计算化学新方法，通过机器学习与高通量筛选，设计应用于包括烷烃脱氢在内的重要化工催化过程的新型催化剂和工艺；在“双碳”背景下，引领光电催化水分解制氢、电催化CO2还原制液体燃料等新能源前沿领域发展，在过程模拟指导与反应工程研究中，推进新能源技术产业化落地；面对芯片与半导体产业亟需解决的“卡脖子”关键技术难题，创新薄膜技术，打破技术封锁壁垒。
