中国科学院金属研究所（以下简称金属所）近期连发《富缺陷石墨烯稳定原子级分散金属催化材料：让贵金属“一个顶一万个”》《亚纳米金属钯双原子催化加氢研究取得新进展》两篇最新成果介绍文章，将金属所研究员刘洪阳团队在富缺陷石墨烯金属催化材料研究方向的独创性成果呈现在世人面前。
富缺陷石墨烯、贵金属、亚纳米、催化材料……这些学术名词构建成怎样的科研图景？最新成果将为哪些产业发展注入强劲动力？记者走进金属所能源信息材料与器件研究部金属催化材料与氢碳资源优化利用课题组（以下简称课题组）实验室，一探究竟。
沈阳日报、沈报全媒体记者 岳雨
破解“卡脖子”难题 让贵金属“物尽其用”
课题组一间实验室内，课题组组长刘洪阳正带领科研人员开展二硝基甲苯、甲基环己烷等有机化合物的气相色谱分析研究。样品经气相色谱仪自动进样、分析，相关结果实时呈现在相连的电脑屏幕上。
“我们课题组主要开展亚纳米金属催化材料与氢碳资源优化利用研究，已取得阶段性成果并在石油化工和精细化工等领域实现工业化应用。”来到实验室外，刘洪阳对记者说。乙烯是?合成纤维、合成橡胶、合成塑料?等合成材料的基础原料，广泛应用于农业、建筑、纺织、汽车、电子电器等领域，其产量已成为衡量一个国家石油化工发展水平的重要指标之一。“全球乙烯年产量已超过2亿吨，与人们的生产、生活密不可分。乙烯制备过程中，必须去除其内部含有的微量乙炔，金属催化剂就能起到这个作用。”刘洪阳介绍，在课题组“富缺陷石墨烯稳定原子级分散金属催化材料研究”成果问世之前，国内相关企业不得不从国外进口金属催化剂，不但发货时间、使用工艺等受制于人，而且贵金属负载量接近5%，资源利用率低、成本高的问题十分棘手。
刘洪阳带领团队从材料和工艺两方面入手，攻克金属催化材料领域“卡脖子”问题。他们开发了一种富缺陷石墨烯稳定原子级分散金属催化材料，让贵金属原子一个个地稳定分散在石墨烯表面的缺陷位，改变了传统催化剂材料贵金属原子以纳米颗粒状存在、像葡萄串一样挂在活性炭载体表面的结构。
为什么说碳载亚纳米金属催化材料能够让催化剂中的贵金属“一个顶一万个”呢？刘洪阳说：“我们是‘原子搬运工’，实现了原子尺度下的催化剂材料调控。传统工艺下，贵金属原子形成的纳米颗粒就像一堆堆沙子，只有沙堆表层的原子能发挥作用，里面的原子都被浪费了。而原子级分散就像把原子铺成一个单层，表面上的每一个原子都能发挥作用。”
富缺陷石墨烯催化材料中，贵金属负载量控制在2%以下，每一个贵金属原子都“站”在石墨烯载体表面，利用率可以达到100%。同时，因为贵金属原子分散得均匀，加氢反应的活性和选择性显著提升，反应更快、催化效率更高、产物纯度更优。另外，新材料抗积碳能力更强，使用寿命更长。
目前，在刘洪阳团队努力下，“碳载亚纳米钯基金属团簇”成果已成功应用于一项12万吨二硝基甲苯加氢制甲苯二胺工艺项目上，完全替代进口工艺，实现催化剂从实验室1升到产业化5000升的放大生产，助力企业将贵金属钯使用量降低约70%，催化剂生产成本降低47.74%，年均为企业降低生产成本8000余万元。
刘洪阳说：“石化和精细化工产业基地是辽宁省全力打造的四个万亿级产业基地之一。全国产化碳载亚纳米金属催化剂成本优势、催化效率优势明显，有望为辽宁省石化和精细化工产业高质量发展赋能。”
抓住科学问题本质 打造独特技术路线
走进课题组另一间实验室内，一套微反实验装置正在运行。刘洪阳取出一个装有多个条状样本的盒子，对记者说：“这是我们制备的条状富缺陷石墨烯，可用作催化剂使用。”
碳载亚纳米金属催化材料研究实现关键突破，源自一次偶然的发现。刘洪阳介绍，最初以石墨烯为载体研究时，科研团队以多种工艺对表面过于平整的石墨烯进行处理，但效果始终未达预期。就在大家一筹莫展之际，刘洪阳偶然发现，尺寸在纳米级的纳米金刚石表面具有丰富的缺陷，可以作为催化材料载体。“当时我就想，金刚石、石墨烯、活性炭都是碳元素形成的，在温度、压力调控下，彼此之间会发生相转变。于是我们通过高温下惰性气氛处理，使纳米金刚石的表面转变成石墨烯，就获得表面富含缺陷的石墨烯了。”
基础研究要抓住科学问题的本质，刘洪阳总是在团队中强调这一理念。“我们发现了富缺陷石墨烯材料的本质，形成了金属所独特的碳载亚纳米金属催化剂技术路线。”刘洪阳团队从这条技术路线出发，在钯、铂、钌、铑、铱等贵金属催化材料系统研究上持续产出新成果，已可制备各种类型碳材料负载的贵金属催化剂。在我国，钯、铂、钌、铑、铱等贵金属储量小、品位低、对外依存度高?，刘洪阳团队的科研成果更具现实意义。
成果从实验室走到生产线的过程中，刘洪阳带领团队成员扎根生产一线。车间里热浪滚滚，他们每一次进出都像蒸了一次桑拿。“从实验室1升到放大生产的过程中，催化反应有时会比较剧烈，存在一定的安全隐患。我们就回到实验室反复探索，研究如何进一步控制催化反应中产生热量的释放速度，然后再回到企业开始新的生产。如此周而复始多次，我们终于在2024年10月完成论证，工艺流程和安全性再无问题，国产化替代照进现实。”
从实验室到生产线 为未来产业赋能添力
刘洪阳带领学生来到一套设备前，将甲苯和氢气添加到反应釜中，以此来检测、分析贵金属催化剂的性能。
从事亚纳米金属催化材料与氢碳资源优化利用研究十余载，刘洪阳感触颇多。在他心目中，面向国家重大需求、抓住科学问题本质开展创新研发，形成从基础研究到产业化应用的完整闭环，推动科技创新和产业创新深度融合，发展壮大新质生产力，才是科研人员的真正价值所在。
“氢能产业链条中，储运环节至关重要。其中有机液体储氢技术需要通过甲苯加氢、脱氢，实现氢能液态运输，就像油罐车、管道运输石油一样方便。”刘洪阳打比方说，金属催化剂就像是味精，氢能高效储运的每一个环节都离不开它。碳载亚纳米贵金属催化剂的应用，可以大幅降低贵金属使用量，是氢能产业发展降本增效的关键。
瞄准未来，刘洪阳已经找到了更大的舞台。“氢能储运加氢、脱氢环节，贵金属铂、钌是最主要的催化材料。我们现有成果将铂、钌的使用量降低到传统方式的5%，成本优势十分显著。课题组目前正在与华电辽宁能源有限公司等企业合作，推进氢能储运环节贵金属催化材料技术与应用相关研究。”
氢能是我国“十五五”时期重点发展的未来产业，刘洪阳和团队已经蓄势待发。“我们团队围绕国家重大需求开展创新攻关，时刻准备着在国家需要时顶上去，为我国‘双碳’目标和氢能产业快速发展贡献全部力量。”刘洪阳说。