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。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。
2025年9月26日，《科学》（Science）在线刊发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，将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路径，使得贵金属原子的催化价值得以极致发挥，助力化工生产更加低碳、高效、可持续。
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：通过在铜（Cu）纳米颗粒中引入锡原子(Sn)，利用Sn原子半径大于Cu使Sn偏析到表面，而Sn与铂（Pt）之间存在强相互作用可以将嵌入铜晶格内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，并以金属态稳定存在。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，并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瓶颈，为推动化工行业向“低耗、高效、绿色”转型提供了重要技术支撑。
巩金龙介绍：“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。我们将持续推进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累。
2024年7月，《科学》杂志以封面论文形式刊发天津大学新能源化工团队突破性研究成果，团队成功研发出廉价绿色丙烯生产催化剂，为低碳烯烃生产技术的可持续发展奠定了催化科学基础。
丙烯是世界上产量最大的化工品之一，也是塑料、橡胶、纤维、医药等领域重要的基础化工原料。丙烯产业对全球石油化工产业链具有重要战略意义。2023年我国丙烯产量6000万吨左右，约占全球总产量三分之一，总产值超过6000亿元。在众多丙烯生产技术中，丙烷脱氢工艺因经济效益高、石油依赖低成为主流。然而传统丙烷脱氢催化剂原料稀缺昂贵、环境污染严重，导致行业面临可持续发展问题。更高效、更廉价、更环保的下一代丙烯催化剂已成为全球化工行业竞相抢占的科技制高点。
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，围绕“双碳”战略，以化工产业绿色低碳转型升级为目标，针对当前传统丙烷脱氢催化剂往往使用贵金属或高毒性元素的现状，提出利用廉价且对环境友好的氧化物与金属之间电子相互作用促进催化过程的科学假设。团队根据这一思路，历时五年研发出氧化钛@镍复合催化剂。钛在地球上储量丰富，比常见的铜、锡、铅、锌都要多，我国是储量居世界前列的钛资源大国；全球镍资源也十分丰富。团队通过控制氧化钛在金属镍颗粒表面的覆盖程度，实现了氧化钛和镍之间电子转移的精准调节。在丙烷脱氢工业相关反应条件下，展现出与主流催化剂相当的活性、选择性和稳定性。机理研究表明，氧空位邻近的四配位钛位点是丙烷脱氢的关键活性物种，次表面金属镍作为电子助剂，加速氧化钛表面碳氢键活化和氢气解吸过程，同时抑制裂解、积碳等副反应的发生，提升目标产物选择性和催化效率。为发展下一代高效、廉价、环保可持续的丙烯催化剂奠定了科学基础。
据该论文共同第一作者、天津大学化工学院陈赛博士介绍：“下一步，团队将继续深耕丙烷脱氢技术领域，助力我国自主掌握下一代丙烯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。”
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，推动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。
实现“双碳”战略目标对我国化工行业绿色低碳转型提出了重要要求。推动丙烯这一重要的化工基础原料的低碳化生产，具有十分重要的科学和战略意义。在丙烯生产工艺中，丙烷脱氢（Propane dehydrogenation）技术因其产品单一性好、经济性效益高、石油依赖性低等备受瞩目。然而，丙烷脱氢是热力学平衡受限的强吸热反应，需在较高温度下（＞600 ℃）才能得到较高转化率，能耗和碳排放量高。因此，如何创新丙烯生产工艺，实现体系热量自给并突破热力学平衡限制，是提升丙烯生产能效的关键。
巩金龙教授带领的研究团队提出“反应微区原位供热”概念，在微尺度将吸热反应与放热反应耦合，创新了丙烯生产工艺的供热方式，突破了丙烷脱氢热力学平衡限制，实现了从微观反应体系到宏观反应工艺的系统创新。本研究创制的串联型反应体系，通过对氧化钒-钒酸铁间“毗邻度”的精准调控，实现氢中间物种定向传递-燃烧的协同匹配。通过氢燃烧为脱氢过程提供热量，有效降低碳排放；同时，通过原位移除副产物氢气拉动反应向目标产物方向移动，提升了丙烯收率。在550℃反应温度下，获得42.7%丙烷转化率和81.3%丙烯选择性，在超过200次脱氢-再生循环测试中性能保持稳定。在微观层面，阐明了反应体系“毗邻度”与丙烯收率之间的定量关系，提出了氢溢流介导串联反应的耦合机制。
该研究工作开发的耦合丙烷脱氢与选择性氢燃烧的新工艺，有效提升了丙烯生产效率，变革了丙烯生产技术，为推动化工过程的绿色低碳转型，助力实现“双碳”目标提供了新的研究思路。
本研究得到了科技部重点研发项目、国家自然科学基金和中国石油合作研发项目等的资助。
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