11月27日，Science發表了來自天津大學鞏金龍教授領銜的聯合團隊，所發表的論文《利用原子提取法充分利用貴金屬進行丙烷脫氫》。他們發明了一種“原子抽取”法，成功將常用于丙烷脫氫制丙烯的鉑基催化劑中，使得鉑原子的利用率提升到近100%，所需貴金屬的用量卻直接減少約90%，堪稱化工界的“成本殺手”兼“效率卷王”！

這項研究解決貴金屬資源的高效利用問題，打開了一扇全新的大門。

傳統催化劑的“痛點”：原子被埋沒

貴金屬成本是許多重要化工過程的主要負擔。目前工業上廣泛使用的催化劑，通常是含有鉑等金屬的微小納米顆粒，但這種小顆粒，只有最外層的原子能接觸到反應物，大量埋在里面的原子，純屬“帶薪躺平”，十分浪費。

另一種思路是制造“單原子催化劑”，即讓每個金屬原子都獨立地分散在載體表面，理論上能實現100%的原子利用。但這類催化劑也有兩大難題：一是在苛刻的高溫反應條件下，孤立的原子容易“抱團”聚集，失去活性；二是現有方法制備的單原子往往與載體結合過強，化學狀態被改變，并不適合所有類型的反應。

左圖：傳統PtCu單原子合金催化劑，大量鉑原子（淺藍）被埋藏，表面暴露度低。中圖：工業PtSn合金催化劑，鉑原子在合金中仍無法完全暴露。右圖：本研究提出的新型PtSnCu催化劑，錫原子（紅）通過“原子抽象”作用，將鉑原子從銅顆粒內部“牽引”至表面，形成完全暴露的活性位點。

靈感妙想：“抽取”原子到表面

要么做更小的納米顆粒，要么費勁地合成單原子催化劑，然后想方設法防止它們團聚，這些都屬于“防御性”或“改良型”策略。研究團隊獨辟蹊徑，提出 “原子抽取” 這個主動的、建設性的策略，巧妙地利用熱力學規律（大原子趨向表面）和化學規律（強金屬間相互作用），像魔術師一樣，把深埋的原子“抽”到表面。

他們設計了一種三元金屬催化劑體系：以廉價且常見的銅（Cu）納米顆粒為“主體”或“宿主”，將微量的鉑（約0.01%-0.03%的重量占比）預先融入其中。此時，大部分鉑原子仍埋在銅顆粒內部。

關鍵的“魔術手”是第三種金屬——錫（Sn）。研究人員發現，錫原子有兩個特點：一是它的個頭比銅原子大（原子半徑錫為1.40埃，銅為1.17埃），這促使錫更傾向于“擠”到顆粒表面；二是錫與鉑之間有極強的相互吸引力，強于錫-銅、鉑-銅之間的吸引力。

當錫被加入到體系中時，它自發地遷移到銅顆粒表面，并利用這股強大的“拉力”，將埋在內部的鉑原子一個一個地“拽”到了表面。最終，鉑和錫在顆粒表面形成了穩定的“鉑-錫原子對”。這樣，幾乎所有的鉑原子都以完全暴露的金屬單原子形式，展現在了開放的表面上。

實驗揭秘：如何“看見”原子搬家？

為了證實這一“原子抽取”過程，科學家們動用了多種尖端分析技術：

高分辨電鏡：像超高倍顯微鏡一樣，直接“拍”到了銅顆粒表面鉑-錫原子對的圖像。

X射線光電子能譜：分析了原子的化學狀態，確認表面的鉑、錫、銅都保持了金屬特性，沒有被氧化。

X射線吸收譜：如同原子的“指紋”鑒定，證實了鉑原子周圍沒有其他鉑原子（說明是單原子分散），并且探測到了鉑-錫鍵的存在。

理論計算也支持了這一機制。模擬顯示，錫在表面比在內部穩定得多，而鉑在錫的“牽引”下，遷移到表面的能量壁壘顯著降低，整個過程是熱力學自發驅動的。

向PtCu單原子合金中加入錫引起的結構變化。錫、鉑、銅原子分別用紅、藍、灰色標注，淺藍色代表嵌入銅納米顆粒內部的鉑原子。

更少鉑，更高產，更耐用

研究人員在丙烷脫氫制丙烯這一重要工業反應中測試了新催化劑的性能。丙烷脫氫需要在550-580°C的高溫下進行，條件苛刻，容易導致催化劑失活。

結果令人振奮：

活性倍增：在相同的、極低的鉑負載量下（0.02 wt%），新型PtSnCu催化劑的丙烯生成速率，是傳統商用PtSn催化劑的12倍。即使與傳統催化劑使用等量的鉑，其活性仍高出2-3倍。

超長壽命：在長達72小時的連續測試中，新催化劑活性下降緩慢，失活速率僅為對比催化劑的三分之一。經過六輪反應-再生循環后，其活性仍能保持90%以上，而傳統催化劑性能則大幅衰減。

抑制積碳：通過紅外光譜等手段，研究人員發現錫的加入改變了表面結構，有效抑制了導致催化劑失活的“積碳”副反應，這是其壽命延長的關鍵原因。

這種跨越式的性能突破，極具沖擊力。更重要的是，它是在接近工業實際條件下取得的，讓“有望應用”變得非常可信。

一個普適的新策略

更重要的是，這種“原子抽取”策略具有普適性。研究團隊嘗試用銥（Ir）、銠（Rh）替代鉑，或者用銦（In）替代錫，用銀（Ag）替代銅作為宿主，都觀察到了類似的貴金屬原子暴露度提升和催化性能增強的效果。

這證明，利用“大個頭”金屬原子向表面遷移的趨勢，以及它與目標貴金屬間的強相互作用，可以作為一種通用方法來設計和制造高效、穩定的單原子催化劑。這就不僅是一個新催化劑的問題了，更是一個可編程的原子組裝新工具。

這篇論文不僅報告了一個“更好的催化劑”，更在于發明了一種制造更好催化劑的新方法，并對“為什么這個方法能成功”提供了深刻、原子級的理解。這種兼具概念原創性、科學深度和重大應用潛力的研究，正是利用最巧妙的構思，解決最根本的科學難題的體現。

編輯：吳歐

論文信息

發布期刊Science

發布時間 2025年11月27日

論文標題 Full utilization of noble metals by atom abstraction for propane dehydrogenation