单原子催化剂实现1100°C高温催化氨燃烧：迈向碳中和工业加热新路径

针对绿色氨(NH3)燃烧特性差、高温稳定性不足及NOx排放高的难题，新加坡国立大学团队开发了Pt单原子/ZrO2-Al2O3催化剂，实现215°C低温点火、1100°C稳定燃烧且NOx排放仅50ppm，为工业高温过程脱碳提供创新解决方案。

　　

在全球碳中和背景下，工业高温过程（如钢铁、水泥生产）的脱碳成为关键挑战。这些"难减排"领域贡献了全球10%的CO₂排放，甚至超过所有汽车排放总和。氨(NH₃)作为可再生燃料虽具潜力，却面临燃烧温度高（>650°C）、火焰速度慢、NO_x排放高等固有缺陷。传统解决方案如与化石燃料混烧会牺牲碳中和优势，而先进燃烧技术又面临工程复杂性难题。

新加坡国立大学Qian He团队在《Joule》发表的研究突破性解决了这一难题。研究人员通过将铂(Pt)单原子锚定在10%氧化锆(ZrO₂)-氧化铝(Al₂O₃)载体上，创造出能在215°C点燃氨燃烧、1100°C长期稳定运行且NO_x排放仅50ppm的 revolutionary催化剂。该工作首次证明单原子催化剂在极端高温催化氨燃烧(HT-CAC)中的独特优势，为工业高温热过程提供可再生的清洁能源解决方案。

关键技术包括：1）采用共沉淀法合成10ZrAl载体；2）通过浸渍法构建Pt单原子位点；3）同步辐射X射线吸收精细结构谱(XAFS)确认原子分散Pt物种；4）微型固定床反应器评估催化性能；5）气相燃烧模拟分析反应路径。

【0.5Pt/10ZrAl identified as an effective catalyst for HT-CAC】
研究发现0.5% Pt负载的10ZrAl催化剂在λ=2（燃料贫燃条件）下展现最佳性能。同步辐射表征证实Pt以单原子形式存在，这种独特结构既保证NH₃在低温活化（215°C），又通过Pt-O-Zr键增强高温稳定性。

【The synthesis of 10ZrAl】
通过AlN与硝酸氧锆共沉淀，经550°C预焙烧和1200°C高温处理获得高稳定性载体。这种制备方法使ZrO₂均匀分散在Al₂O₃基质中，形成抗烧结的复合氧化物结构。

研究揭示单原子Pt同时促进两个关键路径：1）低温下优先催化4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O的主反应；2）高温时通过表面吸附的NH₃原位还原生成的NO，实现"自清洁"式NO_x控制。这种双功能机制使系统在1100°C仍保持100% NH₃转化率和<100ppm NO_x排放。

该研究突破传统催化材料在极端条件下的失活瓶颈，首次实现单原子催化剂在工业级高温燃烧场景的应用示范。相比前人工作（如Fe₂O₃基催化剂在1000°C时仍有2% NH₃逃逸），新催化剂将操作窗口拓宽200°C以上。更重要的是，其"低温点火-高温稳定-低排放"的特性完美匹配工业燃烧器的动态需求，为航运、冶金等领域的燃料替代提供 turnkey解决方案。正如作者指出，这项技术有望推动全球每年减少约3亿吨CO₂排放，加速实现《巴黎协定》的温控目标。