【中国科学报】让工业催化剂不再“怕”一氧化碳

【中国科学报】让工业催化剂不再“怕”一氧化碳

一氧化碳是让人不寒而栗的隐形杀手——中毒可危及生命。其实，不仅人们害怕一氧化碳，工业上用的催化剂也同样令人害怕。微量一氧化碳就可导致贵金属催化剂“中毒”，这已经困扰化工界多年。

近日，《自然纳米技术》杂志刊登了一项新的研究成果，称一种新型铂-碳化钼双功能加氢催化剂可避免一氧化碳“中毒”。该研究成果由北京大学化学与分子工程学院教授马丁课题组、中国科学院大学物理学院研究员周武课题组和中国科学院山西煤化学研究所研究员温晓东课题组共同完成。

催化剂中毒

加氢在石油炼制和一些高附加值化学品的制备中有着广泛的应用。在催化剂的作用下，将氢气引入到油中的不饱和烃中，使烯烃全部饱和、芳烃部分饱和，可以提高油品的质量。例如，我们喝的咖啡、吃的蛋糕里的人造黄油，都是由棕榈油等植物油经催化加氢制成的。

然而理想充满希望，现实却很骨感。用煤、天然气等工业燃料制取的氢气，难免会带一些含碳杂质，其中又以一氧化碳最为致命，哪怕一点点，也会立刻“卡死”理想的加氢反应。

周武解释道，一氧化碳吸附在贵金属催化剂上，会降低催化剂的活性，甚至完全丧失加氢活性。“特别是在100摄氏度以下的低温环境下，浓度达到100~的一氧化碳就能使催化剂失活。”

十几年前，原石家庄炼油厂从国外引进了一套价值3亿元的苯甲酸加氢生产工艺。投产后不久，这位“洋先生”频频中毒、罢工，每年给厂家增加成本2000万至3000万元。中石化石油化工研究院宗宝宁教授在一次学术交流中讲述了这样的故事。

“一氧化碳引发的催化剂中毒问题困扰了化工界多年，”宗宝宁说，“目前我们只能通过把一氧化碳转化为甲烷来减少中毒的发生，但不能从根本上解决这个问题。”

寻找催化剂的“朋友”

幸运的是，宗保宁的故事被马丁、周武等爱心人士记住了。加氢反应中最常用的催化剂铂成为他们思考的起点。他们开始疑惑：有没有一种物质，可以同时满足与铂紧密结合和“分享”其对一氧化碳的吸附能力这两个条件？

“如果能将这两种特性结合起来，也许可以发现一种常用的‘抗中毒’催化剂！”周武告诉《中国科学报》。

那么，这个“朋友”是谁？

当时，长期从事催化反应化学研究的马丁正在对一种新型催化剂——碳化钼进行研究，他发现碳化钼能与其表面负载的贵金属产生强烈的相互作用，相关研究成果于2017年发表在《自然》杂志上。

此项新研究成果的发现，也在无意中帮助他们发现了铂-碳化钼催化剂对一氧化碳的弱吸附作用。马丁解释道：“碳化钼可以让铂不再是‘铂’——因为原本的铂非常怕一氧化碳中毒，但经过碳化钼基底几何结构和电子结构的调控后，‘铂’与一氧化碳的相互作用会变得很弱；同时，铂仍是‘铂’，因为其独特的加氢性能得以保持。”

在经历一次次失败、克服均匀性等难关后，研究团队最终在实验室中成功制备出“铂-碳化钼双功能催化剂”。

从实验室到工厂还有很长的路要走

实验结果表明，新催化剂使得直接利用粗氢作为加氢反应的氢源成为可能，提高了原料利用率和有效产物的比例，降低了生产成本。

“它的生产方法很简单，由于铂与碳化钼有很高的亲和力，只需通过简单的浸渍法研磨，铂原子就会慢慢地以原子级分散在碳化钼载体上。另外，这种催化剂失活后，通过简单的还原反应去除表面有机污染后，就可以再次使用。”周武说。

对于此项研究成果，宗宝宁表示：“此项研究为我们提供了抗一氧化碳中毒贵金属催化剂的新理论和新认识，是新催化剂、新技术的一个增长点，具有潜在的应用价值。但这项技术在理论上还属于新技术，距离工业化生产还有很长的路要走。”

未来，周武团队将进一步探索铂与碳化钼之间强相互作用的微观结构原因，而马丁团队也将继续推动新的铂-碳化钼体系，寻找更多新的应用场景，以避免一氧化碳中毒。