摘要：通过在铜纳米颗粒中引入锡原子，利用原子半径差异和金属间相互作用，将原本嵌入体相的铂原子精准“抽提”至表面，形成稳定的Pt–Sn异金属二聚体结构。这项突破解决了工业催化领域长期存在的难题：如何同时实现贵金属的高分散度和金属态稳定性。

天津大学巩金龙教授团队开发的“原子抽提”技术，将贵金属铂的利用率推向极限，有望使丙烷脱氢反应的生产成本降低一个数量级。

通过在铜纳米颗粒中引入锡原子，利用原子半径差异和金属间相互作用，将原本嵌入体相的铂原子精准“抽提”至表面，形成稳定的Pt–Sn异金属二聚体结构。这项突破解决了工业催化领域长期存在的难题：如何同时实现贵金属的高分散度和金属态稳定性。

传统催化剂在高温还原条件下，贵金属原子容易聚集失活，或者被载体覆盖而失去活性。而“原子抽提”策略成功实现了金属态铂原子的近100%表面暴露。

01 技术突破：原子抽提策略的核心原理

巩金龙教授团队提出的“原子抽提”策略巧妙利用了不同金属的物理特性差异。研究人员在铜纳米颗粒中引入锡原子，利用锡原子半径大于铜的特性及其与铂的强相互作用，将原本嵌入铜体相的铂原子“抽取”至表面。

这种方法的创新之处在于实现了金属态铂原子的近乎完全暴露。实验数据显示，当铂负载量在0.01至0.03 wt%范围内时，PtSnCu催化剂的铂分散度高达93%至97%，远高于传统PtCu催化剂的25–29%和PtSn催化剂的41–50%。

通过原位XPS和XAS分析，研究团队确认了铂在PtSnCu催化剂中处于金属态，且铂周围电子密度增加。Pt LIII边EXAFS谱图中未检测到Pt–Pt配位，表明铂以孤立原子形式存在，而在约2.8 Å处出现的Pt–Sn键配位数约为1.3 ± 0.8，与AC-HAADF-STEM观察到的Pt₃Sn异金属二聚体结构相符。

原子抽提的驱动力来自两个方面：几何效应和电子效应。锡原子因半径大而倾向于偏析至表面，同时与铂形成强相互作用（Pt–Sn的ICOHP为-2.84 eV），显著降低铂从体相迁移至表面的能垒（从2.00 eV降至1.77 eV）。

02 性能提升：催化效率的飞跃

丙烷脱氢（PDH）性能评估结果显示，PtSnCu催化剂在580°C下的丙烷转化率达到42.7%，是PtCu催化剂（22.9%）的近两倍。在相同的铂负载量下，PtSnCu的活性约为商业PtSn催化剂的2至3倍。

更令人印象深刻的是，仅使用0.02 wt%的铂，PtSnCu催化剂的初始转化率即可达到约26%，与使用0.3 wt%铂的商业催化剂相当，且丙烯选择性保持在98%的高水平。这意味着达到相同催化效果所需铂用量降低了一个数量级，直接大幅削减了催化剂原材料成本。

稳定性是工业催化剂的另一关键指标。测试表明，PtSnCu/SBA-15的失活系数远低于PtCu/SBA-15。原位DRIFTS和拉曼光谱证实锡的添加有效抑制了积碳的形成。

在长期测试中，PtSnCu催化剂在氮气稀释和未稀释的条件下均表现出优于商业催化剂的稳定性。经过六个反应-再生循环后，PtSnCu催化剂性能保持稳定，而商业催化剂则出现明显失活和纳米颗粒长大。

03 行业影响：重塑贵金属催化经济性

贵金属催化剂全球市场规模庞大，2024年全球催化剂市场规模达到了270亿美元，其中贵金属催化剂（铂、钯、铑）占据高端应用市场70%以上份额。中国已成为全球最大的催化剂消费国之一，2019-2024年我国催化剂行业市场规模从843.9亿元增长至1192.3亿元。

“原子抽提”技术对行业最直接的影响是大幅降低对贵金属资源的依赖。贵金属资源稀缺且价格昂贵，尤其是全球90%的高端高纯石英砂曾长期依赖美国等国的矿山。减少贵金属用量不仅具有经济意义，更关系到资源安全和供应链稳定性。

丙烷脱氢是化工行业的重要反应，丙烯是生产聚丙烯等塑料的关键原料。当前，PtSnK/Al₂O₃是工业上广泛应用的PDH催化剂。巩金龙团队开发的新催化剂丙烯生成速率较工业PtSnK/Al₂O₃催化剂提升约12倍，且铂用量降低一个数量级，这将显著提升丙烯生产的经济效益。

化工催化剂是化学工业的“核心引擎”，其性能提升对下游产业有放大效应。据统计，在石油化学工业中，92%以上的化工产品都需要采用催化剂。催化剂效率的微小改进，在工业规模上可能带来巨大的成本和能耗节约。

04 市场前景：绿色化工驱动需求增长

在“双碳”目标引领下，化工行业正朝着绿色化、低碳化方向发展。高效催化剂是化工过程节能降耗的关键。到2024年，我国化工催化剂市场规模已增长至411.73亿元，需求从“够用”向“高效”转变。

新能源产业链为催化剂市场带来新的增长点。氢燃料电池、生物燃料等新兴领域的市场繁荣和技术要求，是催化剂需求增长的引擎。2025年，中国化工催化剂需求量预计将达到51.7万吨，市场需求持续扩大。

单原子催化剂（SACs）是未来发展方向之一。随着全球化工行业向绿色低碳转型，开发高效、高选择性的催化材料成为关键挑战。尽管单原子催化剂已在基础科学和理解上取得显著突破，但其工业应用仍面临合成规模化、长效稳定性和过程适配等工程挑战。

巩金龙团队的这一技术为单原子催化剂的工业应用打开了新局面。研究表明，将铂替换为铱或铑，或在PtCu体系中用铟替代锡作为抽取金属，均能观察到贵金属表面暴露度和催化性能的显著提升。这表明“原子抽取”策略具有较好的普适性，有望拓展至其他催化体系。

05 风险与挑战：从实验室到工业化的障碍

尽管“原子抽提”策略在实验室表现出色，但其工业化仍面临挑战。大规模生产时，如何精确控制金属原子的比例和分布是一个难题。催化剂在工业反应器中的长期稳定性也需要进一步验证。

行业报告显示，当前单原子催化剂从实验室到工业应用的转化率较低。23%的企业已开始采用AI筛选材料组合，但机器学习方法依赖于高质量、标准化的数据，而工业条件下催化剂的行为数据难以获取。

知识产权竞争激烈。近三年全球该领域专利申请量年均增长19%，中国占比38%居首。跨国企业通过专利交叉授权构筑壁垒，新技术面临严格的专利自由操作评估（FTO）需求。

供应链风险也不容忽视。俄罗斯铂族金属出口限制导致欧洲厂商库存周转周期延长至180天。虽然新技术降低了铂用量，但对其它金属（如锡）的纯度要求可能提高，可能转移而非消除原材料依赖。

06 未来趋势：催化技术的智能化与多元化

未来，催化剂研发将更加依赖人工智能和机器学习。这些技术可以快速筛选和优化催化剂配方，预测催化剂性能，大大缩短研发周期，降低研发成本。2025年已有23%企业采用AI筛选材料组合。

原子级精准调控催化性能代表新范式。不仅限于贵金属，非贵金属催化剂（铁、铜、钴基材料）因成本优势和技术突破，在工业废气处理领域的渗透率提升至28%。未来可能出现更多复合型催化材料，如金属有机框架（MOFs）材料、二维材料等。

催化剂产业向“产品+服务”模式转型。化工企业对催化剂的选择更注重综合效益，不仅关注催化效率，还兼顾寿命、再生成本及与工艺的适配性，推动催化剂企业提供定制化解决方案。

随着“原子抽提”等新技术的成熟，2025-2030年可能看到更多针对特定反应定制的精准催化剂出现。这些催化剂将像一把把精准的“分子剪刀”，高效地促进特定化学转化的进行，资源消耗和废物产生将大幅降低。

催化剂被喻为化工“芯片”，是现代化学工业的核心。天津大学这项突破的意义远不止于一种新型催化剂的诞生，它代表了一种催化剂设计新范式的出现。

随着“原子抽提”策略的进一步完善和推广，未来5-10年，我们有望看到更多高效催化剂问世，推动化工过程向更低能耗、更高选择性方向发展。化工生产的碳排放有望显著降低，绿色制造将成为现实。

催化剂进化的最终目标是实现化学反应的精准控制，而“原子抽提”技术正是向这一目标迈出的关键一步。

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来源：苏子科学资讯