■本報記者 甘曉 實習生 尚瓊潔
一氧化碳是一種讓人談虎色變的「無形殺手」——中毒後將危及生命。事實上，不僅人怕一氧化碳，工業上用的催化劑也怕它。微量一氧化碳導致貴金屬催化劑「中毒」，多年來一直困擾著化學工程界。
最近，《自然—納米科技》雜誌發表新研究成果稱，一種新型鉑—碳化鉬雙功能加氫催化劑，能避免一氧化碳「中毒」現象發生。該研究成果由北京大學化學與分子工程學院教授馬丁課題組、中國科學院大學物理科學學院研究員周武課題組與中科院山西煤炭化學研究所研究員溫曉東課題組合作完成。
催化劑中毒
在石油煉製以及一些高附加值化學品製備過程中，加氫反應用途廣泛。在催化劑的作用下，石油中的不飽和烴通入氫氣後，使烯烴全部飽和、芳烴部分飽和，可以提高油品的質量。例如，我們日常喝的咖啡、吃的蛋糕中的人造奶油，就是由棕櫚油等植物油催化加氫製成。
然而，理想很豐滿，現實卻很骨感。用煤炭、天然氣等工業燃料製備的氫氣中，難免會攜帶一些含碳雜質。其中一氧化碳最致命，一丁點就會使理想中的加氫反應立刻「卡殼」。
周武解釋，一氧化碳吸附在貴金屬催化劑上，使催化劑的活性下降，甚至完全失去加氫活性。「特別是在100攝氏度以下的低溫環境下，濃度百萬分之一百至一千（100~1000ppm）的一氧化碳就能讓催化劑失活。」
十多年前，原石家莊煉油廠從國外引進了一套價值3億元的苯甲酸加氫生產工藝。開工不久，這位「洋先生」頻頻中毒罷工，每年給生產廠家增加兩三千萬元成本。中國石化石油化工科學研究院教授宗保寧在一次學術交流中講述了這個故事。
「一氧化碳導致催化劑中毒已困擾化學工程界多年。」宗保寧說，「目前我們只能通過把一氧化碳轉化為甲烷等方式來減少中毒現象發生，無法從根本上徹底解決這一難題。」
給催化劑找「朋友」
幸運的是，宗保寧的故事被有心人馬丁和周武等人記在了心裡。最常用的加氫反應催化劑金屬鉑成為他們思考的起點，他們開始琢磨：是否有一種物質可以同時滿足與鉑緊密連接並且「分擔」其對一氧化碳吸附力這兩個條件？
「如果能把這兩個性質結合在一起，或許我們就能發現一種『防中毒』的常用催化劑了！」周武告訴《中國科學報》。
那麼，這個「朋友」是誰呢？
當時，長期從事催化反應化學研究的馬丁正在對碳化鉬這一新型催化劑開展研究，發現碳化鉬能與負載在它表面的貴金屬產生強相互作用，相關研究成果於2017年發表在《自然》雜誌上。
新研究成果的發現，無意中也幫助他們發現了鉑—碳化鉬催化劑對一氧化碳的弱吸附作用。馬丁解釋：「碳化鉬可以使鉑變得不再是『鉑』——因為原來的鉑很怕一氧化碳中毒，但經過碳化鉬基底幾何結構和電子結構的調控，現在的『鉑』和一氧化碳的相互作用就會變得很弱；而同時，鉑還是『鉑』，因為它獨特的加氫性能得到保持。」
在經歷一次又一次的失敗，並且克服了均一性等難題後，課題組最終在實驗室成功製備「鉑—碳化鉬雙功能催化劑」。
從實驗室到工廠距離仍遠
實驗結果顯示，該新型催化劑使得加氫反應中直接使用粗氫作氫源成為可能，提高了原料利用率和有效產物比例，降低了生產成本。
「它的製作方法非常簡單。由於鉑和碳化鉬之間的高親和力，只靠簡單的浸製法一直碾磨，鉑原子就會慢慢呈原子級狀態分散在碳化鉬載體上。此外，這種催化劑失活後可以利用簡單的還原反應等，去除表面有機物汙染後再次使用。」周武表示。
對這一研究成果，宗保寧表示：「該研究為我們提供了抗一氧化碳中毒貴金屬催化劑新的理論和知識，是新型催化劑和新技術的增長點，有潛在的應用價值。但該項技術目前仍屬於理論上的新技術，距離產業化生產還有很長的一段路要走。」
未來，周武課題組將進一步探究鉑和碳化鉬之間強相互作用力的微觀結構原因，馬丁課題組也會繼續推廣鉑—碳化鉬新體系，尋找其他更多避免一氧化碳毒化的新的應用場景。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-019-0366-5
《中國科學報》 (2019-03-18 第4版 綜合)