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近日，新加坡國(guó)立大學(xué)助理教授何遷等人提出一個(gè)全新的概念——“高溫催化氨燃燒”，并首次開(kāi)發(fā)出一種能夠滿足這一要求的催化劑。這個(gè)催化劑采用單原子級(jí)的鉑元素均勻分布在高溫穩(wěn)定的氧化鋯–氧化鋁（ZrO?–Al?O?）載體上。
圖|何遷和本次論文第一作者杜衍坤同學(xué)（來(lái)源：課題組）
它有兩個(gè)核心優(yōu)勢(shì)：第一，在約200°C就能點(diǎn)燃稀氨氣，大大低于普通燃燒所需的溫度；二，能在高達(dá)1100°C的極端溫度下穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)80小時(shí)，同時(shí)抑制有害氮氧化物氣體的生成。這項(xiàng)成果不僅驗(yàn)證了氨氣在高溫條件下可以“干凈地燃燒”，也說(shuō)明單原子催化劑這一方向在能源燃燒領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。
這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用非常廣泛，尤其適用于那些需要高溫?zé)崮艿闹毓I(yè)領(lǐng)域。在這些場(chǎng)景中，氨有望作為一種清潔、高效的替代燃料，幫助行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型。具體來(lái)說(shuō)，包括以下幾類(lèi)：
鋼鐵、水泥、玻璃等高溫制造行業(yè)：這些行業(yè)的工業(yè)爐通常需要超過(guò)1000°C的熱源，目前大多依賴煤炭或天然氣。研究團(tuán)隊(duì)的高溫催化氨燃燒技術(shù)，能夠以氨作為燃料，為這些高溫工藝提供所需熱能，減少對(duì)化石能源的依賴，降低碳排放。氨燃?xì)廨啓C(jī)、氨發(fā)動(dòng)機(jī)：隨著氨燃料在發(fā)電和動(dòng)力系統(tǒng)中的探索推進(jìn)，研究團(tuán)隊(duì)的催化劑可以作為預(yù)燃器或助燃模塊，幫助設(shè)備實(shí)現(xiàn)更快點(diǎn)火、更穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)有效抑制氮氧化物的排放。氨鍋爐改造：現(xiàn)有的一些天然氣鍋爐有望通過(guò)技術(shù)升級(jí)實(shí)現(xiàn)“氨燃料化”。假如引入研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高溫催化模塊，不僅能減少排放，還能避免大規(guī)模設(shè)備更換，具有很高的改造潛力和性價(jià)比。
目前，本次研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，下一步計(jì)劃進(jìn)行小規(guī)模示范驗(yàn)證，同時(shí)積極與工業(yè)界合作，將技術(shù)成熟度推進(jìn)至TRL5–6階段（即中試驗(yàn)證階段）。研究團(tuán)隊(duì)希望在未來(lái)五年內(nèi)逐步實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際場(chǎng)景的轉(zhuǎn)化，為更大規(guī)模的綠色能源應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
（來(lái)源：https://www.cell.com/cms/10.1016/j.joule.2025.10203）
據(jù)介紹，氫能和氨能作為“綠色能源”的載體，其所相關(guān)的研究越來(lái)越受到重視。特別是氨（NH?）因?yàn)樗梢杂伤涂諝庵械牡?，在使用可再生能源的條件下合成，整個(gè)過(guò)程原則上可以完全不涉及碳，有希望成為真正意義上的“零碳燃料”。而且氨比氫更容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，能直接以液體形式存在，這使得它非常有潛力能成為在發(fā)電、航海運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的減排解決方案的一部分。
但是氨卻不是一種很好的燃料，一是它不好點(diǎn)燃、自燃溫度高、火焰速度慢，而且它本身的氮元素可能會(huì)嚴(yán)重加重生成燃燒尾氣中氮氧化物的污染物。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展這項(xiàng)研究，正是為了攻克這兩個(gè)瓶頸，探索一種既能高效燃燒氨氣、又能抑制污染物排放的新方法，推動(dòng)氨在重工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
氨氣雖然是非常有前景的綠色燃料，但它也有兩個(gè)“天然缺陷”：一是不容易點(diǎn)燃，需要較高溫度才能啟動(dòng)反應(yīng)；二是在燃燒過(guò)程中容易生成氮氧化物（NO?）等有害氣體，既影響環(huán)境，也影響健康。因此，他們的研究思路是：利用催化劑讓氨更容易點(diǎn)燃（即降低啟動(dòng)溫度），同時(shí)控制反應(yīng)過(guò)程，讓它主要生成氮?dú)夂退?，而不是有害的副產(chǎn)物。傳統(tǒng)的氨燃燒催化劑大多集中在低溫條件下設(shè)計(jì)，目的是防止氨泄漏造成污染，但這類(lèi)催化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量較低、沒(méi)有太多能源利用價(jià)值，不能滿足工業(yè)“高溫?zé)帷钡男枨?。而研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)，是推動(dòng)氨在超過(guò)1000°C的工業(yè)熱力系統(tǒng)中高效清潔燃燒。為此，他們提出了本文開(kāi)頭提到的新概念。
（來(lái)源：https://www.cell.com/cms/10.1016/j.joule.2025.10203）
研究一開(kāi)始，何遷和本次論文的共同通訊作者新加坡國(guó)立大學(xué)教授顏寧通過(guò)一次討論意識(shí)到“高溫下清潔燃燒氨氣”這個(gè)方向可能會(huì)是一個(gè)值得探索的方向。研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)逐步確定了這個(gè)課題的技術(shù)目標(biāo)和研究框架，并共同招入了杜衍坤同學(xué)加入該團(tuán)隊(duì)攻讀博士學(xué)位，以便開(kāi)展這個(gè)課題。何遷告訴DeepTech：“衍坤不僅負(fù)責(zé)了大部分催化劑的制備與性能測(cè)試，還在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、安全操作和數(shù)據(jù)分析方面做出了非常關(guān)鍵的貢獻(xiàn)?？梢哉f(shuō)，這個(gè)項(xiàng)目的推進(jìn)離不開(kāi)他一系列細(xì)致、踏實(shí)的工作?？蒲袌F(tuán)隊(duì)的組建，始終是成功的第一步?！?/p>
事實(shí)上，在研究的第一年，他們很快就拿到了非常令人振奮的初步數(shù)據(jù)：催化劑不僅能在約200°C點(diǎn)燃氨氣，還能在高達(dá)1100°C的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，而且氮氧化物排放極低。這個(gè)結(jié)果極大地增強(qiáng)了研究團(tuán)隊(duì)對(duì)方向的信心，也成為后續(xù)機(jī)制研究的基礎(chǔ)。
接下來(lái)，他們開(kāi)始了更加深入的機(jī)制探索和材料分析。這一部分涉及到了大量復(fù)雜的材料表征。課題組的姚冰清博士負(fù)責(zé)了球差校正透射電子顯微鏡（STEM，ScanningTransmissionElectronMicroscope）方面的表征工作。而在同步輻射X射線吸收譜（XAFS，X-rayAbsorptionFineStructure）實(shí)驗(yàn)方面，研究團(tuán)隊(duì)則受到了來(lái)自新加坡A*STAR研究機(jī)構(gòu)的席識(shí)博博士的大力幫助。這些高端表征手段的引入，極大地提高了他們對(duì)材料結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理的理解，并確認(rèn)了單原子催化位點(diǎn)。
在這項(xiàng)研究中，最讓何遷印象深刻的，是研究團(tuán)隊(duì)為了確定催化反應(yīng)中真正的活性中心，所經(jīng)歷的一連串挑戰(zhàn)。由于催化劑結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，既有單原子的鉑（Pt）分布，也因?yàn)闃O限高溫的反應(yīng)條件下，導(dǎo)致存在一些尺寸較大的Pt顆粒。雖然從顯微鏡圖像來(lái)看，這些大的顆粒比較顯眼，但從催化反應(yīng)的原理來(lái)看，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)岩伤鼈兤鋵?shí)并不“活躍”——因?yàn)樗鼈兊谋砻娣e太小。他們初步的判斷是：真正起作用的，是那些高度分散的Pt單原子。但是，這個(gè)推論需要確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持，而且還必須能說(shuō)服審稿人。研究團(tuán)隊(duì)為此開(kāi)展了一系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其中最具挑戰(zhàn)性、同時(shí)也最讓人記憶深刻的，是使用氰化鉀（KCN）對(duì)催化劑進(jìn)行“選擇性刻蝕”——也就是用這種劇毒的化學(xué)品把大的金屬態(tài)Pt顆粒“洗掉”，看看催化性能是否受到影響。如果催化性能沒(méi)怎么變化，那就說(shuō)明大顆粒確實(shí)不是活性位點(diǎn)；如果性能下降明顯，那說(shuō)明大顆?？赡芤苍谄鹱饔谩?/p>
氰化鉀是一種非常危險(xiǎn)的化學(xué)試劑，需要極其小心地操作。本次論文的第一作者、也是主要貢獻(xiàn)者杜衍坤同學(xué)，在這部分實(shí)驗(yàn)中付出了非常多的努力。他嚴(yán)格遵守安全流程，逐步摸索出合適的處理方式，最終成功完成了這一實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也如研究團(tuán)隊(duì)預(yù)期那樣——性能沒(méi)有明顯下降，進(jìn)一步證明了關(guān)于單原子Pt才是主力活性位點(diǎn)的判斷是對(duì)的。
而研究團(tuán)隊(duì)第一次將論文提交到Joule時(shí)，并不順利。可能由于這是一個(gè)相對(duì)陌生、全新的研究方向，預(yù)審稿的審稿人提出了不少非常具體、技術(shù)層面的質(zhì)疑，編輯部在第一輪也給出了拒稿的結(jié)論。值得一提的是，Joule編輯部在拒稿時(shí)非常認(rèn)真地給出了詳細(xì)反饋，并且開(kāi)放了與研究團(tuán)隊(duì)做進(jìn)一步溝通的渠道。通過(guò)積極而坦誠(chéng)的交流，他們向編輯部解釋了技術(shù)路線與創(chuàng)新點(diǎn)，并爭(zhēng)取到了一個(gè)非常寶貴的修改機(jī)會(huì)。
此后的近一年時(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)審稿人提出的關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)展了新一輪更扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)補(bǔ)充，尤其是在活性位點(diǎn)識(shí)別和氮氧化物控制機(jī)制方面加強(qiáng)了實(shí)證支持。最終，第一位審稿人對(duì)他們所做的修改表示非常認(rèn)可，明確表示支持發(fā)表，后續(xù)的幾位審稿人也大都給予了積極肯定。可以說(shuō)，這篇論文從第一次投稿到正式發(fā)表，研究團(tuán)隊(duì)不僅對(duì)實(shí)驗(yàn)本身有了更深入的理解，也在整個(gè)過(guò)程中把論文打磨得更加扎實(shí)、更加清晰，得到了同行的認(rèn)可，也提升了他們自身的研究水平。這整個(gè)過(guò)程，是一段非常寶貴的科研經(jīng)歷。每一個(gè)環(huán)節(jié)都凝聚著大家的智慧和努力，也讓研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這項(xiàng)工作的價(jià)值和后續(xù)的發(fā)展有了更加堅(jiān)定的信心。
日前，相關(guān)論文以《單原子催化劑使催化氨燃燒在1100℃下成為可能》（Single-atomcatalystsenabledcatalyticammoniacombustionat1,100?C）為題發(fā)在Joule[1]。
圖|相關(guān)論文（來(lái)源：Joule）
后續(xù)，研究團(tuán)隊(duì)大致準(zhǔn)備分三步走。
第一步，是進(jìn)一步優(yōu)化催化劑本身。雖然這次成果已經(jīng)非常令人鼓舞，但他們也注意到，目前催化劑表面還有一些較大的Pt顆粒，它們并沒(méi)有真正參與反應(yīng)，換句話說(shuō)是“浪費(fèi)”了寶貴的金屬資源。這也正說(shuō)明研究團(tuán)隊(duì)還有提升空間。接下來(lái)，他們?cè)诂F(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，探索如何進(jìn)一步提升原子利用效率，并嘗試將貴金屬Pt替換成其他成本更低、效果也不錯(cuò)的單原子金屬，比如Ru、Fe、Ni等。目標(biāo)是做到更高效、更節(jié)省、更適合大規(guī)模應(yīng)用。
第二步，是研究不同的載體材料和金屬組合。這次研究團(tuán)隊(duì)使用的是氧化鋯–氧化鋁作為載體，它在高溫下表現(xiàn)不錯(cuò)。但未來(lái)如果想把催化溫度再推高一點(diǎn)，或讓催化劑在更復(fù)雜的氣氛中保持穩(wěn)定，就需要更耐高溫、更抗毒化的新型載體。因此他們也計(jì)劃嘗試一些如尖晶石結(jié)構(gòu)、氮化物、甚至高熵氧化物等新型材料體系，與不同金屬搭配，爭(zhēng)取在活性、穩(wěn)定性和反應(yīng)溫度上進(jìn)一步突破。
第三步，是往工程化方向推進(jìn)，設(shè)計(jì)具體的反應(yīng)器系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室里的催化反應(yīng)往往是理想條件下進(jìn)行的，但真正要應(yīng)用在工業(yè)燃燒系統(tǒng)中，比如鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、加熱爐等，還需要系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)和匹配。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在初步探索不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，包括前燃器、燃燒穩(wěn)定器、NO?抑制模塊等，目標(biāo)是將催化劑嵌入真實(shí)的設(shè)備中，真正實(shí)現(xiàn)氨燃料的工程落地。
“這三步互為支撐，從材料出發(fā)，一直到應(yīng)用系統(tǒng)，我們希望能在未來(lái)幾年內(nèi)持續(xù)推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，讓綠色氨燃料真正走進(jìn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，希望能為實(shí)現(xiàn)低碳未來(lái)貢獻(xiàn)我們的一份力量?！焙芜w表示。
參考資料：
https://www.cell.com/cms/10.1016/j.joule.2025.102030/attachment/ec9aa951-fb1a-4f18-8bee-badf7cfbad4f/mmc2.pdf
