让贵金属“下岗”，他们把“工业维生素”换成中国配方
让贵金属“下岗”，他们把“工业维生素”换成中国配方
在山西一座煤矿的通风瓦斯排放口，甲烷浓度不足0.75%的乏风被送入催化氧化装置。反应器内，温度计指针越过300℃刻度，稀薄甲烷在非贵金属催化剂表面悄然“点燃”，在真实工业气流中连续坚守1100小时。数百公里外，贵州一套10000标准立方米/小时的含氧煤层气催化脱氧装置正满负荷运转，剧烈放热被稳稳压入安全窗口，长周期运行下床层温度与出口气组成依然平稳。
这一幕，正是中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）研究员王胜团队开发的新一代非贵金属整体结构燃烧催化剂实现工业示范应用的场景。该催化剂在山西、贵州两地“双点开花”，成功实现工业示范应用，验证了其在真实工况下的可靠性，也展示了其在降低成本、节约战略资源和减少污染物排放等方面的价值。
作为团队负责人，王胜感慨良多：“看到催化剂从实验室走进工厂，我特别激动。最近我荣获辽宁五一劳动奖章，更让我感到，成果落地这件事正在被看见、被肯定。我认为这份奖章表彰的不只是论文和专利，更是对成果付诸实施的肯定。它充分说明，国家现在最需要的，正是‘把论文写在祖国大地上’的科研。所以我们的下一步不是守成，而是要把技术做成产业、做成标准。”
每小时10000立方米煤层气催化脱氧装置。受访者供图
当“工业维生素”遇上“卡脖子”
催化燃烧技术，是实现含一氧化碳、挥发性有机物及甲烷废气超低排放的重要技术途径。长期以来，这项技术被铂、钯等贵金属“绑定”，根源在于贵金属催化剂表现出优良的低温活性、广谱性、热与化学稳定性，堪称催化领域的“工业维生素”。
但“维生素”虽好，却稀缺而昂贵。我国铂族金属储量占全球比重不足0.1%，对外依存度长期超过90%。脆弱的供应链，带来高昂且不确定的成本。更棘手的是，贵金属“吸附适中”的优势，在含硫、氯工况时反而成为致命弱点，高温水汽还会加速金属迁移与烧结，只有更换材料体系才有破局的机会。
“工业痛点不在活性，而在于成本与稳定性。”王胜这样概括团队挑战非贵金属的初衷，“过渡金属氧化物的调控空间远大于贵金属，可以通过多尺度活性位点设计，将本征活性提升至工业可用区间。我们的目标不是廉价替代品，而是苛刻工况下综合性能更优的新技术路线。”
正是基于这一判断，团队将目光投向了非贵金属氧化物体系。然而，此前非贵金属单组分的d带电子结构导致反应物物种吸附过强或过弱，单一氧化物无法满足要求，必须要重新“设计材料”。
为此，团队围绕催化剂表界面精准调控，构建了多尺度活性位点设计与调控方法，从三个维度协同发力：调控电子结构，通过多组分复合、掺杂与缺陷工程使吸附强度适中；调控几何构型，控制位点尺寸、配位环境与暴露晶面以丰富活性位点；调控氧化物-氧化物相互作用，通过界面化学键合锚定活性中心、抑制水汽烧结。
“三者并非简单叠加，而是协同的关系。它们统一了非贵金属体系中‘高活性’与‘强稳定性’长期相互制约的矛盾，也正是媲美贵金属、并在抗中毒与低温稳定性上反超的根源。”副研究员宗绪鹏告诉《中国科学报》。
非贵金属催化剂设计出来后，团队几乎没有犹豫，直接就投入了工业化应用试验。“我们此前进行了一些贵金属燃烧催化剂研究，并且已经应用于数十套一氧化碳和挥发性有机物催化净化工业装置。正是这些积累，为后续非贵金属催化剂的工业化奠定了基础。”王胜说。
1100小时背后的“沉默之战”
从实验室样品到工业产品，中间隔着一道看不见的鸿沟。“实验室里用化学试剂在烧杯中做出的结构，在吨级生产线上很难复刻。而且这一步没有论文可发、没有奖项可拿，只有反复试错——却是决定成败的‘沉默阶段’。能否扛过去，是‘做完一个课题’和‘做成一项技术’的分水岭。”王胜坦言。
2025年，团队在大连长兴岛进行催化剂放大时，就遭遇了一个“诡异”的问题。催化剂在焙烧时表面出现明火，导致高温烧结，而这一现象此前在实验室从未发生过。
“我们第一反应是干燥不充分，于是选择延长干燥时间，然而问题依旧存在。”高级工程师杨晓野说。
经过逐一排查后，团队才发现真正原因是前驱体分解过程中，产生的有机物在高温空气气氛下燃烧，从而导致出现明火。实验室样品量小，放热量少，问题就被掩盖了过去。而到了吨级生产线上，放热量骤增，问题才暴露出来。“通过对样品进行热重分析，我们找到适宜的分解温度，并在该温度下维持足够长的时间，问题便迎刃而解。”王胜说。
正是这种“沉默阶段”的坚持，让催化剂最终在两个极具挑战的工业场景中经受住了考验。
“我们选择山西和贵州作为工业示范，是因为这两地分别代表煤矿甲烷治理中最典型、也最棘手的两类工况：一类是富氧贫甲烷，即氧气多、甲烷少，目标是氧化销毁甲烷；另一类是富甲烷贫氧，即甲烷多、氧气少，目标是催化脱氧。”王胜解释道，“两种极端条件相互补充，能够全面检验非贵金属催化剂的工业适应能力。”
新一代非贵金属整体结构燃烧催化剂分别在山西1000标准立方米/小时通风瓦斯催化氧化工业侧线试验装置和贵州10000标准立方米/小时含氧煤层气催化脱氧工业装置上实现稳定运行。在实际工况下，催化剂甲烷氧化起燃温度低于300℃；在400至420℃、气体空速每小时10000的条件下，甲烷或氧气转化率稳定在90%以上，已完成连续稳定运行1100小时。其催化性能可媲美传统贵金属催化剂，并在抗中毒、低温稳定性等关键指标上表现出优势。
一条“难而正确”的路
工业化试验成功后，王胜表示：“我觉得这是一条艰难却又正确的道路，它标志着催化剂从‘实验室样品’变成了‘货架产品’。”
工业装置上的1100小时性能验证，经受住了实验室无法再现的“三重考验”：真实的气体成分与浓度波动、频繁的开停车与负荷调整、含硫含水气氛的持续冲击。在这些扰动下，该催化剂转化率始终稳定在90%以上，充分验证了真实工况下的可靠性与寿命。
从经济效益看，改善是系统性的——贵金属元素被替代，催化剂成本不再与国际铂钯价格挂钩，从“随行就市、不可预测”变为“取决于工艺、可控可降”。据统计，仅挥发性有机物治理领域，2026年的贵金属燃烧催化剂市场就在217亿元以上。如果该非贵金属催化剂进一步拓展应用到甲烷、一氧化碳催化净化领域，每年可节省数亿元的贵金属消耗。
从环保效益看，煤炭行业占全国甲烷排放的41%，每年风排瓦斯排放纯甲烷150亿立方米以上，相当于2亿吨二氧化碳当量。低成本非贵金属催化剂的开发，将显著促进催化净化技术在相关领域的推广应用。
更重要的是国家战略价值。我国铂族金属对外依存度超90%，已被列为战略性矿产。从材料源头上去除铂钯，使催化燃烧不再消耗这一“卡脖子”资源——其意义不仅在于省钱，更在于把成本决定权从国际矿业市场转移到自己的制备工艺手中。
提及下一步，团队规划十分清晰。“我们将继续针对通风瓦斯与含氧煤层气等场景，验证催化剂的长周期运行性能并完成更大规模装置的工程应用。随后，我们会向石化、化工、焦化等行业的挥发性有机物治理和一氧化碳协同净化拓展，并依托已实现的规模化制备能力，推动建立低成本、高可靠性的非贵金属技术路线。”王胜说。
从2006年博士毕业留所至今，二十年走来，王胜对“科技创新”的理解经历了三次转变：起初以为是“做出别人没做过的东西”；做了工业项目后变成“做出别人用得上的东西”；现在他认为是“在科学的边界和工程的可行性之间，找到真正能落地的交点”。
“做科研最幸运的事，是看到自己研发的东西真正在工厂里运行、真正为企业、为国家解决了问题。”他说。