將貴金屬「吃幹榨盡」！香山科學會議：儘早布局單原子催化
2020-10-21 中國科學報作者 |甘曉
不久前，由中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱中科院大連化物所）提供關鍵技術的「5萬噸/年乙烯氫甲醯化生產正丙醇工業化裝置」在寧波實現全流程一次投產成功。
這是「多相氫甲醯化反應」首次實現工業應用，提升了我國高端正丙醇自主供應能力。
這也是「單原子催化」領域研究的重要裡程碑，破解了困擾催化界80多年的難題。
10月13日，在北京召開的「單原子催化」香山科學會議上，與會專家認為，作為一個由中國科學家首次提出的新概念，「單原子催化」已經成為催化和材料科學領域新的研究前沿和熱點，應儘早布局，以應對該領域基礎科學、工業應用上面臨的挑戰。
喚醒「沉睡」的貴金屬
催化劑被譽為現代化學工業的心臟，90%以上的化工過程與催化技術有關。
很多催化劑含有貴金屬，催化反應在貴金屬表面發生，起催化作用的金屬原子稱為活性中心。
科學家很早就認識到，真正參與催化反應的活性中心其實很少，絕大多數貴金屬原子都「沉睡」在表面以下，導致催化效率低。由於貴金屬資源稀缺、價格昂貴，提高貴金屬原子利用效率，便成為催化劑製備科學的核心問題之一。
針對這個問題，此次香山科學會議執行主席、中國科學院院士張濤在報告中指出：「實現活性金屬以單原子的形式分散，達到金屬分散的極限，即單原子催化劑（SAC），是催化領域長期追求的目標之一。」
喚醒那些表面以下「沉睡」的貴金屬原子，則必須將它們高度分散在大比表面積的載體上，終極目標便是形成單個原子分散的多相催化劑，從而實現催化效率「以一當十」的目標。
在科學家看來，這將極大降低貴金屬催化劑的成本。
中科院大連化物所研究員喬波濤告訴《中國科學報》：「曾有人進行過估算，假設一塊磚體積為20×10×5釐米，如果採用純金製備，按照每克金價格38.1美元計，該金磚價值73萬美元。如果將一塊同樣大小的磚頭上面覆蓋一個原子層厚度的金，則所用金的價值僅為1美分。兩者成本相差懸殊，但是表面都是黃金，對於催化的效果可能是相似的。」
由中國學者原創
單原子分散是全世界科學家追尋已久的目標。
早在1999年，日本科學家巖澤康裕通過X射線吸收譜（XAS）推測原子級分散的鉑可能具有與納米粒子相同的活性。
2005年，中國科學家徐柏慶等人發現，表面孤立的金離子是加氫反應活性中心。
2009年，張濤課題組在長期從事高分散催化劑研究的基礎上，終於實現了氧化鐵負載鉑單原子催化劑的實用方法製備。
隨後，他們與清華大學教授李雋、美國亞利桑那州立大學教授劉景月合作開展了包括單原子催化劑製備、表徵、反應、理論模擬等在內的系統研究。
2011年，他們在《自然—化學》上發表論文，正式提出「單原子催化」的新概念。
隨後，單原子催化劑迅速成為多相催化領域最活躍的研究前沿，中國科學家始終扮演引領者的角色。
例如，2014年，張濤與中科院大連化物所研究員王愛琴團隊報導了取代硝基苯化合物的選擇加氫，首次證明單原子催化劑在選擇加氫反應中的獨特優勢。
中科院院士、清華大學教授李亞棟團隊多年來開發了一系列氮修飾的碳材料負載的各種金屬單原子催化劑製備方法及應用。
廈門大學教授鄭南峰、傅鋼團隊合作，利用單原子催化劑清楚解釋了鹼金屬助劑的作用。
機遇與挑戰並存
從提出原創性概念到深入的科學研究，再到工業化應用嘗試，「單原子催化」在中國駛入「快車道」。
近年來，中科院大連化物所研究員丁雲傑帶領團隊進行了金屬單原子催化劑首次工業應用。
「自1999年以來，我們聚焦在提高貴金屬原子利用率和抗硫永久性中毒等方面，從分子水平上設計併合成出有機配體單體並製備出有機聚合物材料，最終形成多相氫甲醯化單原子催化劑，2020年8月一次投產成功。」丁雲傑在此次香山科學會議報告中介紹了這項工作。
同時，他們在「單原子催化」的基礎上研發了甲醇—合成氣經多相羰基化制乙酸乙酯的相關集成性組合技術，目前已完成工業性中試。
「『單原子催化』不僅能夠從原子層次認識複雜的多相催化反應，也在工業領域具有巨大應用潛力。」
張濤強調，「但『單原子催化』的基礎科學問題尚未完全解決。」
這些基礎科學問題包括：催化劑活性位及其穩定機制猶如「黑匣子」一般尚不清晰，仍需加強對反應過程中單原子的配位環境和分散狀態的研究；該領域研究還需藉助超高空間和能量分辨的原位表徵技術和現代理論計算方法，依賴於多學科技術發展及融合應用……
此次香山科學會議上，與會專家認為，為解決上述問題，需要多學科領域的科學家和工業界工程技術人員密切合作，推動我國在該前沿領域不斷發展。
《中國科學報》 (2020-10-21 第4版 綜合)
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
不想錯過中國科學報的推送？
關注並將我們星標吧！
方法如下 ↓
相關焦點
-
「吃幹榨盡」貴金屬！單原子催化初顯身手
這也是「單原子催化」領域研究的重要裡程碑，破解了困擾催化界80多年的難題。 10月13日，在北京召開的「單原子催化」香山科學會議上，與會專家認為，作為一個由中國科學家首次提出的新概念，「單原子催化」已經成為催化和材料科學領域新的研究前沿和熱點，應儘早布局，以解決該領域基礎科學、工業應用上面臨的挑戰。 -
樂陵星光集團「吃幹榨淨」 產品「甜遍」中國
樂陵星光集團的厲害之處，還在於其「吃幹榨淨」的「綠色」轉型之路。「吃幹榨淨零排放，節能減排增效益」，循環經濟發展理念在這裡生根。通過高端工藝，將汙泥轉化為單細胞蛋白飼料，作為寵物口糧；熱電廠產生的粉煤灰製成新型建材，可實現年產蒸壓加氣混凝土砌塊50萬立方米……星光集團的「綠色」轉型搶入行業藍海之路，走得也是擲地有聲。集團負責人介紹稱，汙泥做成寵物口糧，這一不可思議的想法將在這裡成為現實。該公司與協賽(上海)合作，投資近億元，2018年上馬單細胞蛋白(SCP)汙泥綜合利用技術示範項目。 -
合肥研究院發展新型鐵單原子催化劑實現高效電催化固氮合成氨
迄今為止，已經報導了多種碳負載貴金屬和過渡金屬單原子電催化劑。 近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所環境與能源納米材料中心在常溫常壓下電催化氮氣還原研究方面取得新進展，該工作首次報導了新型氧配位鐵單原子催化劑實現高效電催化氮氣還原合成氨。 -
南科大谷猛團隊在單原子催化領域取得重要進展
論文題目為「高銥單原子負載氧化鎳用於高效電催化析氧（Ultrahigh-loading of Ir single atoms on NiO matrix to dramatically enhance oxygen evolution reaction）」。 -
單原子催化，用於生物分析也出色
本文來自微信公眾號：X-MOLNews自從中國科學院大連化學物理研究所的張濤院士課題組於2011年首次提出單原子催化的概念 [1] 後，該類催化劑就受到越來越多的關注。單原子催化劑是一種特殊的負載型金屬催化劑，專指載體上的所有金屬組分都以單原子分散的形式存在，不存在同原子金屬-金屬鍵。該類催化劑的原子利用率高，反應活性強。 -
群雄逐鹿,單原子電催化劑的前世今生!
單原子概念的提出，離不開研究人員對提高貴金屬催化劑（Pt, Pd, Rh等）原子利用率(Atomic utilization ratio)的追求。減小納米催化劑的粒徑，一直是提高貴金屬催化劑原子利用率的經典策略，將納米粒子的粒徑縮小到極限，理論上會得到100%的原子利用率，實現這種性能的材料，就是本文的主角-單原子催化劑。 -
南科大谷猛團隊在單原子催化領域取得重要進展
論文題目為「高銥單原子負載氧化鎳用於高效電催化析氧（Ultrahigh-loading of Ir single atoms on NiO matrix to dramatically enhance oxygen evolution reaction）」。 -
香山科學會議唯一受邀原料單位，福瑞達憑什麼？
近日，作為國內唯一受邀的化妝品原料單位，山東福瑞達參加了香山科學會議，與國內從事皮膚健康產業、皮膚科學技術與工程領域20餘家單位的40餘名院士和專家學者一起探討化妝品行業的新技術，新方向。 據悉，香山科學會議是由國家科學技術部（原國家科委）發起，主要討論基礎研究領域的科學前沿問題的國家級會議。 -
氦舶科普——單原子催化(一):橫空出世的單原子催化是什麼樣的黑科技?
那什麼是催化呢？早在公元前，中國人已會用酒麴造酒。這就是一種典型的利用生物酶（酒麴）作為催化劑的催化反應。而「催化」這一概念直到1835年才由瑞典化學家Berzelies明確提出：由催化劑施加給反應體系的一種新式的能力。在這之後，德國化學家F.Wilhelm Ostwald對催化反應進行了一系列的研究，發展並明確了催化概念。 -
Wiley能源催化領域最新進展 | 單原子催化劑、雙殼層Ni-Fe LDH增強...
「屋簷」式單原子催化劑實現高效ORR單原子催化劑是近年來催化領域的研究熱點，然而以往的研究多集中於提高金屬負載量以增強催化性能。通過改變催化劑的形貌以促進其層間傳質，增加活性位點的利用率，也被認為是一種有效方法。 -
「阿秒光源前沿科學與應用」香山科學會議召開
「阿秒光源前沿科學與應用」香山科學會議召開 2019-08-26 西安光學精密機械研究所 【」為主題的第658次香山科學會議在北京召開。 -
科研人員提出電弧放電法一步合成高穩定性單原子催化劑的新策略
催化科學發展的前沿在於新型高效催化材料的開發，通過在原子尺度上定向構築具有特定功能的活性結構單元、在分子尺度上實現催化反應過程的高效化。具有優良催化性能的貴金屬催化劑已廣泛用於重要的工業催化過程，但受限於催化劑的高成本。提升貴金屬的分散度、提高貴金屬原子的利用效率、降低生產成本，是科研人員追求的目標。 -
大連中科院單原子催化入選美國化學會2016年十大科研成果
中科院大連化物所張濤院士團隊在國際上首次提出的「單原子催化」入選其中，這也是今年唯一入選該榜單的中國科學家的研究成果。 「單原子催化」入選美國化學會C&EN2016年「十大科研成果」 資料圖：張濤院士 研究團隊於2011年首次合成了單原子鉑催化劑，發現單原子催化劑在CO氧化反應中表現出優異的催化性能，並在此基礎上提出了「單原子催化」概念。 -
清華發起的香山科學會議「能源網際網路:前沿科學問題與關鍵技術...
清華發起的香山科學會議「能源網際網路：前沿科學問題與關鍵技術」研討會在京召開清華新聞網4月23日電 4月21-23日，由清華大學發起的香山科學會議「能源網際網路：前沿科學問題與關鍵技術」學術討論會在北京香山飯店召開。 -
...氦舶科技」率先切入高性能電子印刷化學品、單原子催化劑市場
Hyperion氦舶科技CEO黃翟告訴36氪，他們具備的核心能力是可以根據下遊需求，設計貴金屬的配方和加工工藝，以提升貴金屬材料在終端產品中表現出的性能，並且降低終端產品的成本。業務形態上，他們會自建工廠，根據下遊廠商需求，研發和生產貴金屬材料組分。下遊廠商會基於這些貴金屬材料組份，加工和生產終端產品。 -
「深地過程與地球宜居性」香山科學會議召開
「深地過程與地球宜居性」香山科學會議召開 2020-09-24 廣州地球化學研究所 【字體：>小】 語音播報 9月21日，以「深地過程與地球宜居性」為主題的香山科學會議第 -
第369次香山科學會議簡介
會議執行主席吳瑛作主題評述報告 2010年3月31日至4月1日，以「孤獨症研究現狀及前沿問題」為主題的第369次香山科學會議在北京召開。 -
「自旋波電子學物理、材料與器件」香山科學會議在京召開
2016年2月23～24日，香山科學會議第553次學術討論會在北京香山飯店召開，此次會議以「自旋波電子學物理、材料與器件」為主題，潘建偉教授、沈保根研究員、李樹深研究員和俞大鵬教授擔任會議執行主席 -
依託貴金屬材料的研發和生產技術,「 氦舶科技」率先切入高性能...
Hyperion氦舶科技CEO黃翟告訴36氪，他們具備的核心能力是可以根據下遊需求，設計貴金屬的配方和加工工藝，以提升貴金屬材料在終端產品中表現出的性能，並且降低終端產品的成本。業務形態上，他們會自建工廠，根據下遊廠商需求，研發和生產貴金屬材料組分。下遊廠商會基於這些貴金屬材料組份，加工和生產終端產品。 -
單原子催化,難得一見的好綜述!
研究背景單原子催化劑（SACs）為研究均相和非均相催化劑提供了一個極好的平臺。雖然利用N-C材料錨定金屬單原子能夠很大程度的調節金屬原子電子和幾何結構，但是由於合成方法的局限性以及對結構-性能關係的理解不足，開發出具有高穩定性和催化活性的單原子仍然具有挑戰性。