“催化劑”這個(gè)概念，似乎離我們的平常生活太遠(yuǎn)。除了偶爾在汽車尾氣排放的新聞中聽到這個(gè)詞之外，似乎就只有化學(xué)書中的那一句?“改變反應(yīng)速率但不參與反應(yīng)的物質(zhì)”?了。
然而，在我們平日看不到的工業(yè)側(cè)——制造塑料袋需要催化劑；合成橡膠需要催化劑；工業(yè)“三酸兩堿”之一的硫酸，在制造過程中也少不了釩催化劑的參與。
可以說，如果沒有這些催化劑，我們現(xiàn)有的生活質(zhì)量會倒退一百多年。
Part.1
催化劑：用處很多，弱點(diǎn)也不少
催化劑的類型多種多樣。按照狀態(tài)可以分成固體與液體催化劑兩種；根據(jù)參與的反應(yīng)不同，還可以分為均相催化劑與異相催化劑。而最重要的催化劑莫過于固體異相催化劑。
比起液體催化劑，這類固體催化劑容易運(yùn)輸，容易使用，也容易回收再利用。舉個(gè)例子：把磚頭扔進(jìn)水里，找回來尚且容易；把飲料倒進(jìn)水里，想找回來可就難如登天了。
蜂窩形狀的化學(xué)催化劑
（圖片來源：http://tu.ossfiles.cn:9186/group2/M00/6B/92/rBgICV6OkUqAR-IRAAFbQW87nbc702.jpg）
在西方，曾經(jīng)有一個(gè)笑話是這樣講的：“如果有人想自殺，那只需要湊到汽車排氣管的位置吸兩口尾氣就行了”。
這個(gè)笑話雖然荒誕，但在早期沒有尾氣處理裝置的時(shí)候，汽車尾氣確實(shí)有大量氮氧化物、碳?xì)浠衔锱c一氧化碳。吸兩口雖然不至于送命，但絕對不會讓那個(gè)勇士有多舒服。
尾氣排放還會給環(huán)境造成極大污染。曾經(jīng)的洛杉磯光化學(xué)煙霧事件的罪魁禍?zhǔn)祝褪菦]有經(jīng)過處理的汽車尾氣。
而現(xiàn)在，高效的尾氣處理裝置可以通過催化化學(xué)反應(yīng)，將氮氧化物分解，并利用分解的氧氣將一氧化碳、碳?xì)浠衔镅趸癁槎趸己退瑥亩蟠蠼档臀矚獾奈廴尽?/p>
催化劑有百利，但也有不少弱點(diǎn)。最大的弱點(diǎn)就是催化劑失活的問題。由于催化作用的原理是讓反應(yīng)物附著在催化劑表面，從而加速反應(yīng)，所以一旦表面被其它物質(zhì)覆蓋，催化效率就會大打折扣。
以尾氣催化劑為例，如果催化劑上起催化作用的位置附著上了燃油中未完全燃燒的碳或是硫，那么這個(gè)位置就不再有催化能力了。在專業(yè)領(lǐng)域我們稱之為“催化位點(diǎn)失活”。
因此，想保證催化劑的催化性能，就要減少雜質(zhì)附著，或者增加催化位點(diǎn)的數(shù)量。前者通過提純反應(yīng)物來降低影響，而后者就是在催化劑上下功夫。
之前我們已經(jīng)提到，催化作用僅在催化劑表面發(fā)生，那不管催化劑有多厚，發(fā)生的部分也只是那薄薄的一層或者兩層原子。
在此機(jī)制下，曾經(jīng)的催化劑是板狀或蜂窩狀。但在現(xiàn)代科技的加持下，催化劑可以在微觀尺度上變成網(wǎng)狀或是框架結(jié)構(gòu)，這大大增加了相同質(zhì)量下的表面積（比表面積），從而讓現(xiàn)代催化劑的催化能力大大增加了。
催化劑的催化位點(diǎn)
（圖片來源：https://cen.acs.org/synthesis/catalysis/Catalyst-boosts-prospects-fuel-cell/99/i3）
然而，越是精巧的東西，就越容易壞。精巧的空心結(jié)構(gòu)使得其穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如實(shí)心的“老古董”結(jié)實(shí)。
在超過一百攝氏度的工作溫度下，原子熱運(yùn)動可能會讓其離開自己的位置，跑到其它原子旁邊，從而讓網(wǎng)狀的孔洞發(fā)生塌陷；小的顆粒也會在熱運(yùn)動的幫助下附著在大的顆粒上。
這個(gè)比表面積下降、結(jié)構(gòu)被破壞的過程，在宏觀上十分類似于土壤板結(jié)的樣子，分別被稱為粒子遷移和聚結(jié)(PMC)，以及奧斯特-瓦爾德熟化(OR)。
全球每年因工業(yè)催化劑、催化劑失活引起的催化劑替換、再生成本達(dá)數(shù)百億人民幣。除了應(yīng)對貴金屬催化劑日漸攀高的需求，其納米技術(shù)所帶來的嚴(yán)峻的穩(wěn)定性問題也亟需解決。
Part.2
提高催化劑壽命，中國提出解決新方案
既然高溫下原子熱運(yùn)動是催化劑板結(jié)的主要因素，那降低溫度可以解決問題么？
答案是肯定的，也是否定的。降低溫度確實(shí)可以讓催化劑保持活性，但低溫也會顯著降低化學(xué)反應(yīng)的速度，一來一回等于沒有進(jìn)展。
此時(shí)，我們便要引入一個(gè)稱為“塔曼溫度”的概念。只有在這個(gè)溫度之下，原子才有可能長期穩(wěn)定在自己的位置上。這樣一來，讓臨界溫度達(dá)到塔曼溫度就成為了重中之重。
那么，只需要在臨界溫度，就可以得到在更高溫度下穩(wěn)定的材料；而臨界溫度與原子間相互作用密切相關(guān)。
若是相互作用太弱，原子所受的約束就很小，很容易受熱離開；而若是相互作用太強(qiáng)，又很難讓小顆粒不與大顆粒結(jié)合在一起。也就是說，需要找到一個(gè)強(qiáng)弱的平衡點(diǎn)。
近日，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李微雪教授所領(lǐng)導(dǎo)的理論與計(jì)算催化團(tuán)隊(duì)提出了解決方案。
該團(tuán)隊(duì)結(jié)合研究了323種單組分載體負(fù)載的納米催化劑生長速率和金屬與載體界面作用強(qiáng)度之間的關(guān)系，揭示存在有一般性的火山型依賴關(guān)系。
火山型依賴關(guān)系，左側(cè)為OR效應(yīng)主導(dǎo)，右側(cè)為PMC效應(yīng)主導(dǎo)
（圖片來源：https://scms.ustc.edu.cn/_upload/article/images/ac/65/2cb854bb42cebfe366687e35c172/ab29596a-1679-4293-a71b-d665c8f03889.png）
由此，提出了界面作用調(diào)控納米催化劑抗燒結(jié)的Sabatier作用原理：界面作用既不能太強(qiáng)，否則會導(dǎo)致以奧斯特-瓦爾德熟化的方式失活；也不能太弱，否則會導(dǎo)致以粒子遷移碰撞的機(jī)制失活。
在單組分載體上，由于界面作用標(biāo)度關(guān)系的限制，僅當(dāng)界面作用強(qiáng)度取值適中時(shí)，納米催化劑穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)，其耐燒結(jié)溫度為金屬熔點(diǎn)一半，即長期以來經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的所謂塔曼溫度。
同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)以納米金Au催化劑為例，檢索收集了大量已發(fā)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測高度一致。
根據(jù)這項(xiàng)理論，我們可以僅通過少量實(shí)驗(yàn)就得到高壽命的高活性納米催化劑，降低了實(shí)驗(yàn)成本與時(shí)間消耗。提升催化劑使用壽命，也就降低了催化劑的使用成本。
同時(shí)，延長使用壽命也意味著演唱了催化劑的更換時(shí)間間隔，從而提升了生產(chǎn)效率，降低了時(shí)間成本。
可以說，這項(xiàng)“八年磨一劍”的尖端成果刊登在三大科學(xué)期刊之一的《科學(xué)》上，反映了中國在計(jì)算材料學(xué)研究方面不僅處于世界領(lǐng)先地位，同時(shí)這項(xiàng)研究也得到了世界的充分認(rèn)可。
但這就是納米催化劑的極限了么？不是的。
除了真正穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)之外，在化學(xué)中還有一組稱之為“亞穩(wěn)定”的結(jié)構(gòu)。亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的意思是盡管在這個(gè)溫度下并不是最穩(wěn)定的狀態(tài)，但由于分解需要的能量很難得到，因此可以長期存在。
常見的例子就是氫氣和氧氣，僅需要一點(diǎn)火星就可以迅速燃燒變成水，但如果沒有這一點(diǎn)火星，哪怕是溫度再高也無法發(fā)生反應(yīng)。
亞穩(wěn)態(tài)催化劑示意圖
（圖片來源：https://scms.ustc.edu.cn/_upload/article/images/ac/65/2cb854bb42cebfe366687e35c172/f91a085d-e287-4f05-8257-0b8ff186011e.png）
在催化劑中，可以通過強(qiáng)吸附性載體與弱吸附性載體交替分布，讓催化位點(diǎn)附著在強(qiáng)吸附性載體上，以得到亞穩(wěn)態(tài)納米金屬簇結(jié)構(gòu)，從而在火山峰之上繼續(xù)提升熱穩(wěn)定性，這個(gè)結(jié)構(gòu)稱之為“S@W”（異能載體）。
這個(gè)結(jié)構(gòu)還可能在催化劑與載體的邊界處形成新的位點(diǎn)，從而繼續(xù)提高催化效率。這樣的異能載體可以同時(shí)提高負(fù)載型納米催化劑的穩(wěn)定性和活性。
可以說，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的這項(xiàng)研究打破了那個(gè)曾經(jīng)世界都認(rèn)為是極限的溫度，讓不可能變?yōu)榭赡堋?/p>
盡管科學(xué)并無國界，但一篇寥寥幾頁的論文并不能承載數(shù)十名科學(xué)工作者八年的全部努力成果。而無論是這方面計(jì)算模型還是計(jì)算理念，我國已經(jīng)領(lǐng)先一步。這意味著我國將在化工催化劑方面率先應(yīng)用此成果，率先降低生產(chǎn)成本，甚至于在一段時(shí)間內(nèi)在催化劑壽命讓我國處于領(lǐng)先地位。
盡管這項(xiàng)研究剛剛脫離理論階段，但這項(xiàng)理論已經(jīng)可以應(yīng)用于計(jì)算不同催化劑的最合適的載體以及其臨界工作溫度。
借助于這項(xiàng)理論，可以大幅度降低在催化劑壽命測試上的投入，同時(shí)通過延長催化劑壽命，可以大幅降低化工行業(yè)中貴金屬的使用，以及減少由于催化劑活性降低導(dǎo)致的需要更換催化劑而停產(chǎn)的時(shí)間，這都是降低了直接成本。
但催化劑工藝的發(fā)展能為我們帶來的貢獻(xiàn)，除了直接看到的成本減少之外，還有環(huán)保開銷的減少與生態(tài)環(huán)境的改善。降低每年需要再生的催化劑數(shù)量，保持汽車尾氣及工業(yè)廢氣廢水的處理催化劑的高活性，都可以降低環(huán)境污染水平、減少環(huán)保開支。
留下了綠水青山，自然就有了金山銀山。
出品：科普中國
制作：量子萌新
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