突破性選擇性燃燒技術 開啟更潔淨、更高效的工業未來

在追求更環保、更高效的工業製程中，明尼蘇達大學雙城分校的研究團隊取得了一項重大突破。他們開發出一種催化劑驅動的方法，能夠在碳氫化合物混合物中選擇性地燃燒特定分子，這項技術不僅能更有效地去除汙染物，還能大幅提升燃料、塑膠和肥料生產的效率，同時減少能源浪費。

這項研究成果於2月13日發表在國際頂尖的多學科同行評審科學期刊《Science》上。研究團隊首次展示了一種新方法，利用氧化鉍催化劑在碳氫化合物混合物中選擇性地燃燒特定分子。這項技術在聚乙烯生產過程中，成功地在乙烯存在的情況下燃燒了微量的乙炔，這對於防止催化劑中毒至關重要。全球每年生產超過1.2億噸的聚乙烯，這項技術對塑膠產業具有重要意義。

「傳統的燃燒過程通常在高溫下燃燒所有的碳氫化合物燃料混合物以產生熱能，」明尼蘇達大學化學工程與材料科學系的傑出教授Aditya Bhan解釋道，「而我們的方法則利用催化劑來解決只燃燒特定分子的挑戰。」氧化鉍催化劑的獨特之處在於，它在燃燒過程中提供自身的氧氣，而不是依賴外部氧氣來源，這種過程被稱為化學迴路。

「我們能夠多次從催化劑中取出氧氣並將其放回，催化劑的結構雖然略有變化，但其反應性並未受到影響，」該論文的第一作者、明尼蘇達大學化學工程博士生Matthew Jacob表示，「這種化學迴路模式的操作避免了可燃性問題。」

傳統上，去除低濃度的汙染物非常具有挑戰性且耗能巨大，但這項新方法提供了一種更節能的替代方案。「我們希望這個過程是選擇性的，」該論文的資深共同作者、明尼蘇達大學化學工程與材料科學系教授Matthew Neurock指出，「以這種方式去除乙炔和其他微量碳氫化合物汙染物可能會更節能。我們希望能夠進入氣體混合物中去除某些分子，而不影響其他分子。」

研究人員表示，這項技術的長期影響可能非常深遠，因為催化劑在現代社會中幾乎無處不在，從燃料和藥物到肥料和塑膠的生產都離不開它。理解分子如何在催化劑表面燃燒或不燃燒，對於提高燃料和塑膠生產的效率具有重要價值。

「如果我們能在分子和原子層面上理解催化劑的工作原理，我們就能將其應用於任何特定的反應，」該研究的共同作者、史丹佛大學SLAC國家加速器實驗室的傑出科學家Simon Bare表示，「這有助於我們理解生產現代生活所需燃料和化學品的催化劑如何對其環境做出反應。」

這項研究由美國能源部基礎能源科學辦公室資助，並與明尼蘇達大學特性化設施和明尼蘇達超級計算研究所合作完成。研究團隊包括來自明尼蘇達大學化學工程與材料科學系的Aditya Bhan、Matthew Jacob、Matthew Neurock、Rishi Raj、Huy Nguyen和Andre Mkhoyan教授，以及來自史丹佛大學SLAC國家加速器實驗室的Jiyun Hong、Jorge E. Perez-Aguilar和Adam S. Hoffman。