2025年7月3日，新加坡国立大学材料科学工程系何迁教授与化工和生物分子系颜宁教授合作在Joule期刊上发表题为“Single-Atom Catalysts Enabled Catalytic Ammonia Combustion at 1100ºC”的研究成果。该研究开发出一种创新的单原子铂（Pt）催化剂，成功实现了氨气在高达1100ºC条件下的稳定燃烧，为无碳工业加热和发电提供了新思路。该论文通讯作者是何迁、颜宁；共同第一作者是杜衍坤，姚冰清。

氨气作为潜在的无碳燃料，其燃烧技术仍面临重大挑战：1）传统燃烧会产生二氧化碳和氮氧化物等污染物；2）MILD燃烧等先进技术虽能降低氮氧化物排放，但通常会显著增加系统复杂度；3）现有催化方法通常仅适用于低温或富燃料条件。

图1：HT-CAC与现有氨气燃烧技术的对比。

研究团队提出的高温催化氨气燃烧（HT-CAC）技术通过以下创新突破解决了这些难题（图1）：1）优异的温度稳定性；2）简化的操作流程；3）出色的环境适应性。

HT-CAC技术并非要取代现有的富贫燃烧分级、MILD燃烧或氨气预裂解等方法，而是作为一种补充方案，既可以独立实现高热值输出，也能作为预燃烧器、火焰稳定器或氮氧化物控制模块集成使用。

研究团队采用自上而下的策略：1）首先开发出能在高温下保持高比表面积的10%ZrO₂-Al₂O₃载体，通过ZrO₂掺杂抑制Al₂O₃在1100ºC从过渡相到α相的转变；2）采用一锅法合成富含Pt单原子位点的催化剂。

图2：催化剂的催化性能。

该催化剂在2% NH₃和3% O₂条件下（图2）：1）氨气起燃温度仅略高于200ºC（NH₃转化率达90%以上）；2）在1100ºC连续运行70小时后仍保持高活性和高氮气选择性；3）1100ºC下NO_x排放稳定控制在50ppm左右。

图3：催化剂的表征。

通过原位CO红外、HAADF-STEM、XANES等表征手段（图3），研究团队确认了反应前后Pt单原子位点的存在。同时发现高温会导致部分Pt颗粒烧结。通过NaCN选择性刻蚀大颗粒实验证明（图4 a-e），与Pt单原子相关的位点是主要的活性中心，而大颗粒Pt对催化活性和选择性的贡献几乎可以忽略。

图4：模型催化剂的表征。

这项研究展示了材料工程创新在可持续能源解决方案中的关键作用。HT-CAC技术为冶金、陶瓷和化学加工等高温工业应用提供了一条可规模化实施的脱碳路径。研究团队正在积极寻求工业合作伙伴，以推进该技术的产业化应用。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102030