让工业催化剂不再“怕”一氧化碳

■本报记者甘晓实习生尚琼洁

一氧化碳是让人忍俊不禁的“隐形杀手”——中毒会危及生命。事实上，不仅人们害怕一氧化碳，工业上使用的催化剂也害怕它。微量一氧化碳引起的贵金属催化剂“中毒”多年来一直困扰着化学工程界。

近日，《自然·纳米技术》杂志发表新研究成果，指出一种新型铂-碳化钼双功能加氢催化剂可以避免一氧化碳“中毒”。该研究成果由北京大学化学与分子工程学院马丁教授课题组、中国科学院大学物质科学学院周武研究员课题组、北京大学化学与分子工程学院周武课题组联合完成。中国科学院山西煤炭化学研究所温晓东研究员课题组。

催化剂中毒

加氢反应广泛应用于石油精炼和一些高附加值化学品的制备。在催化剂的作用下，石油中的不饱和烃通入氢气，使烯烃完全饱和，芳烃部分饱和，可以提高油品的质量。例如，我们喝的咖啡和吃的蛋糕中的人造黄油是通过棕榈油等植物油催化氢化制成的。

然而，理想很丰满，现实却很骨感。由煤、天然气等工业燃料生产的氢气不可避免地会携带一些含碳杂质。其中，一氧化碳是最致命的，即使是极小一点点，也会立即“卡住”理想的加氢反应。

周武解释说，一氧化碳吸附在贵金属催化剂上，导致催化剂活性降低，甚至完全失去加氢活性。 “特别是在100摄氏度以下的低温环境下，浓度为百万分之一百到千分之一（100~）的一氧化碳就能使催化剂失活。”

十多年前，原石家庄炼油厂从国外引进了价值3亿元的苯甲酸加氢生产工艺。开工不久，这位“洋绅士”就频频因中毒罢工，每年给厂家增加20至3000万元的成本。中国石化石油化工研究院教授宗宝宁在一次学术交流中讲述了这样的故事。

“一氧化碳引起的催化剂中毒多年来一直困扰着化学工程界。” 宗保宁说，“目前只能通过将一氧化碳转化为甲烷等方式减少中毒现象，但无法从根本上解决这个问题。”

寻找催化剂的“朋友”

庆幸的是，宗宝宁的故事被马丁、周武等爱心人士所记住。铂作为加氢反应最常用的催化剂，成为了他们思考的起点。他们开始思考：是否有一种物质能够同时满足与铂紧密相连以及“共享”其对一氧化碳的吸附能力这两个条件？

“如果我们能将这两种特性结合起来，也许我们就能找到一种常用的催化剂来‘预防中毒’！” 周武告诉中国科学报。

那么，这个“朋友”是谁呢？

当时，长期从事催化反应化学研究的马丁正在进行新型催化剂碳化钼的研究，发现碳化钼可以与其表面负载的贵金属产生很强的相互作用。相关研究成果发表在2017年《自然》杂志上。

新研究成果的发现也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‘铂’——因为原本铂很怕一氧化碳中毒，但通过碳化钼基体的几何结构和电子结构的调控，‘铂’之间的相互作用而一氧化碳现在的作用会变得非常弱；同时，铂仍然是‘铂’，因为其独特的氢化特性得以保留。”

经历了多次失败，克服了均匀性等问题，研究团队终于在实验室成功制备出“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，该新型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比，降低了生产成本。

“制作方法非常简单，由于铂与碳化钼之间的亲和力很高，通过简单的浸渍和研磨，铂原子就会以原子水平缓慢地分散在碳化钼载体上。此外，这种催化剂经过失活的、简单的还原反应可用于去除表面有机物污染，然后再重新使用。”周武说。

对于这一研究成果，宗保宁表示：“这项研究为我们提供了抗一氧化碳中毒的贵金属催化剂的新理论和新知识，是新催化剂、新技术的增长点，具有潜在的应用价值。但是，这项技术还属于理论上的新技术，离工业化生产还有很长的路要走。”

未来，周武课题组将进一步探讨铂与碳化钼强相互作用的微观结构原因。马丁的研究小组还将继续推广新型铂钼碳化物系统，并寻找其他新的应用场景，以避免一氧化碳中毒。。