通過原子抽提策略實現丙烷脫氫中貴金屬的充分利用
這篇于2025年9月發表在《Science》上的研究，題為《通過原子抽提策略實現丙烷脫氫中貴金屬的充分利用》，介紹了一種顛覆性的催化劑設計方法。該方法能極大地提高鉑等貴金屬的利用效率，顯著降低成本并提升工業催化性能。
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw3053
通信作者：Jinlong Gong*
https://orcid.org/0000-0001-7263-318X
jlgong@tju.edu.cn
School of Chemical Engineering & Technology, Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education, Tianjin University, Collaborative Innovation Center for Chemical Science & Engineering (Tianjin), Tianjin, China.
International Joint Laboratory of Low-carbon Chemical Engineering of Ministry of Education, Tianjin, China.
State Key Laboratory of Synthetic Biology, Tianjin University, Tianjin, China.
Tianjin Normal University, Tianjin, China.
Roles: Conceptualization, Data curation, Formal analysis, Funding acquisition, Project administration, Resources, Supervision, Validation, Visualization, Writing - original draft, and Writing - review & editing.
編者摘要
摻有錫和鉑的銅納米顆粒能夠將幾乎所有的鉑以錫-鉑二聚體的形式分散在表面。孫國棟等人發現，在低負載量下，鉑主要分散在銅納米顆粒的內部，但錫的偏析以及錫與鉑之間的強相互作用將鉑驅動到表面。這些負載在二氧化硅和分子篩上的催化劑對于丙烷脫氫反應具有高活性。 ——菲爾·蘇祖米
結構化摘要
引言
催化劑能夠加速化學反應，是現代能源轉化和化學品制造的核心。它們將低價值的原材料轉化為燃料、塑料和無數日常用品。鉑等貴金屬是（（最））具活性的催化劑之一，然而其稀缺性和高成本使得每個原子的高效利用變得至關重要。對于像丙烷脫氫（PDH）這樣的嚴苛工業過程尤其如此，該過程用于生產丙烯——眾多化學品和塑料的關鍵基礎原料。
原理
目前大多數催化劑依賴于合金納米顆粒，其中大量貴金屬原子被埋藏在顆粒內部。因此，只有一小部分昂貴的原子實際參與催化，限制了效率。單原子催化劑提供了一種有前景的替代方案，因為原則上它們能讓每個原子都發揮作用。然而，現有方法通常產生被部分氧化或被限制在微孔內的原子，限制了其可接觸性。這種孤立的原子在高溫還原條件下也容易聚集，損害穩定性和性能。應對這些挑戰需要一個廣泛適用的策略，以在可自由接觸的表面上維持完全暴露的、金屬態的貴金屬原子。這將（最）大化原子利用率，減少貴金屬消耗和成本，并確保在苛刻條件下的持久性能。我們提出了一種原子抽提策略，其中納米顆粒表面的助劑金屬將貴金屬原子從顆粒內部抽提到外部。這使得能夠形成孤立的、完全暴露的金屬態活性位點，并在苛刻的催化環境中保持穩定。
結果
我們制備了負載在二氧化硅上的銅納米顆粒，其表面具有原子級分散的Pt-Sn結構。錫原子比銅大，且對鉑有強吸引力，它將鉑從銅納米顆粒內部拉拽到表面，形成穩定的Pt?Sn?對，使得即使在超低負載量（0.01%至0.03%質量分數）下，幾乎所有鉑原子也完全暴露。細致的分析證實，鉑、錫和銅均保持金屬態，錫向鉑提供電子，使鉑更具選擇性。在丙烷脫氫反應測試中，這種高性價比的催化劑生產丙烯的速率比商用PtSn催化劑高出12倍，而鉑用量僅為后者的十分之一。即使鉑負載量相同，PtSnCu催化劑在相同條件下也表現出高出2到3倍的活性。該材料還具有長壽命，失活速度慢2到3倍，并在多次再生循環后仍保持超過90%的活性。使用其他貴金屬與助劑金屬組合的進一步實驗表明，這種原子抽提方法可以廣泛適用。
結論
由助劑金屬與主體金屬之間的原子尺寸差異以及強助劑-貴金屬相互作用驅動的原子抽提策略，為創造完全暴露的、金屬態的單原子活性位點提供了一條直接的路徑。該方法實現了貴金屬的近完全利用，將其需求量降低高達一個數量級，同時在工業丙烷脫氫高溫條件下保持高活性和穩定性。我們的測試表明，這種方法適用于多種金屬組合，為開發更高效、更耐用和更可持續的催化劑提供了一條通用且實用的途徑。
原子抽提實現了鉑的近完全暴露，從而提高了丙烷脫氫制丙烯的催化效率和成本效益。
通過原子抽提策略制備的PtSnCu催化劑實現了鉑的近完全暴露。這帶來了優于傳統PtSn和PtCu單原子合金催化劑的丙烯生成速率、更長的操作壽命以及顯著降低的催化劑成本，展示了在工業催化領域貴金屬利用率的突破。
摘要
（最）大化貴金屬的原子利用率對于高效的工業催化至關重要。我們展示了通過原子抽提策略，可以實現在丙烷脫氫反應中使用極低負載量的鉑。在低鉑負載量下與銅一起負載于二氧化硅或其他氧化物載體上，還原后形成的納米顆粒中鉑主要分散在體相內。向合金中加入錫后，表面形成了Pt?Sn?二聚體。錫比銅具有更大的原子半徑，這驅使其向表面偏析，而其與鉑的強相互作用則將鉑從體相中抽提出來。單個金屬態鉑原子被穩定在完全開放的表面上，實現了幾乎全部的表面暴露。這種結構將丙烷脫氫反應中的鉑用量降低了一個數量級，并提高了催化穩定性。
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