新国大团队研发单原子催化剂，证明氨气在高温下也能干净燃烧

近日，新加坡国立大学助理教授何迁等人提出一个全新的概念——“高温催化氨燃烧”，并首次开发出一种能够满足这一要求的催化剂。这个催化剂采用单原子级的铂元素均匀分布在高温稳定的氧化锆–氧化铝（ZrO₂–Al₂O₃）载体上。

图 | 何迁和本次论文第一作者杜衍坤同学（来源：课题组）

它有两个核心优势：第一，在约 200°C 就能点燃稀氨气，大大低于普通燃烧所需的温度；二，能在高达 1100°C 的极端温度下稳定运行超过 80 小时，同时抑制有害氮氧化物气体的生成。这项成果不仅验证了氨气在高温条件下可以“干净地燃烧”，也说明单原子催化剂这一方向在能源燃烧领域具有重要应用潜力。

这项技术的潜在应用非常广泛，尤其适用于那些需要高温热能的重工业领域。在这些场景中，氨有望作为一种清洁、高效的替代燃料，帮助行业实现低碳转型。具体来说，包括以下几类：

• 钢铁、水泥、玻璃等高温制造行业：这些行业的工业炉通常需要超过1000°C 的热源，目前大多依赖煤炭或天然气。研究团队的高温催化氨燃烧技术，能够以氨作为燃料，为这些高温工艺提供所需热能，减少对化石能源的依赖，降低碳排放。
• 氨燃气轮机、氨发动机：随着氨燃料在发电和动力系统中的探索推进，研究团队的催化剂可以作为预燃器或助燃模块，帮助设备实现更快点火、更稳定运行，同时有效抑制氮氧化物的排放。
• 氨锅炉改造：现有的一些天然气锅炉有望通过技术升级实现“氨燃料化”。假如引入研究团队研发的高温催化模块，不仅能减少排放，还能避免大规模设备更换，具有很高的改造潜力和性价比。

目前，本次研究还处于实验室阶段，下一步计划进行小规模示范验证，同时积极与工业界合作，将技术成熟度推进至 TRL 5–6 阶段（即中试验证阶段）。研究团队希望在未来五年内逐步实现从实验室到实际场景的转化，为更大规模的绿色能源应用打下坚实基础。

（来源：https://www.cell.com/cms/10.1016/j.joule.2025.10203）

据介绍，氢能和氨能作为“绿色能源”的载体，其所相关的研究越来越受到重视。特别是氨（NH₃）因为它可以由水和空气中的氮，在使用可再生能源的条件下合成，整个过程原则上可以完全不涉及碳，有希望成为真正意义上的“零碳燃料”。而且氨比氢更容易储存和运输，能直接以液体形式存在，这使得它非常有潜力能成为在发电、航海运输等领域的减排解决方案的一部分。

但是氨却不是一种很好的燃料，一是它不好点燃、自燃温度高、火焰速度慢，而且它本身的氮元素可能会严重加重生成燃烧尾气中氮氧化物的污染物。研究团队开展这项研究，正是为了攻克这两个瓶颈，探索一种既能高效燃烧氨气、又能抑制污染物排放的新方法，推动氨在重工业领域的实际应用。

氨气虽然是非常有前景的绿色燃料，但它也有两个“天然缺陷”：一是不容易点燃，需要较高温度才能启动反应；二是在燃烧过程中容易生成氮氧化物（NOₓ）等有害气体，既影响环境，也影响健康。因此，他们的研究思路是：利用催化剂让氨更容易点燃（即降低启动温度），同时控制反应过程，让它主要生成氮气和水，而不是有害的副产物。传统的氨燃烧催化剂大多集中在低温条件下设计，目的是防止氨泄漏造成污染，但这类催化反应产生的热量较低、没有太多能源利用价值，不能满足工业“高温热”的需求。而研究团队的目标，是推动氨在超过 1000°C 的工业热力系统中高效清洁燃烧。为此，他们提出了本文开头提到的新概念。

（来源：https://www.cell.com/cms/10.1016/j.joule.2025.10203）

研究一开始，何迁和本次论文的共同通讯作者新加坡国立大学教授颜宁通过一次讨论意识到“高温下清洁燃烧氨气”这个方向可能会是一个值得探索的方向。研究团队后续逐步确定了这个课题的技术目标和研究框架，并共同招入了杜衍坤同学加入该团队攻读博士学位，以便开展这个课题。何迁告诉DeepTech：“衍坤不仅负责了大部分催化剂的制备与性能测试，还在实验设计、安全操作和数据分析方面做出了非常关键的贡献。可以说，这个项目的推进离不开他一系列细致、踏实的工作。科研团队的组建，始终是成功的第一步。”

事实上，在研究的第一年，他们很快就拿到了非常令人振奋的初步数据：催化剂不仅能在约 200°C 点燃氨气，还能在高达 1100°C 的温度下稳定运行，而且氮氧化物排放极低。这个结果极大地增强了研究团队对方向的信心，也成为后续机制研究的基础。

接下来，他们开始了更加深入的机制探索和材料分析。这一部分涉及到了大量复杂的材料表征。课题组的姚冰清博士负责了球差校正透射电子显微镜（STEM，Scanning Transmission Electron Microscope）方面的表征工作。而在同步辐射 X 射线吸收谱（XAFS，X-ray Absorption Fine Structure）实验方面，研究团队则受到了来自新加坡 A*STAR 研究机构的席识博博士的大力帮助。这些高端表征手段的引入，极大地提高了他们对材料结构和反应机理的理解，并确认了单原子催化位点。

在这项研究中，最让何迁印象深刻的，是研究团队为了确定催化反应中真正的活性中心，所经历的一连串挑战。由于催化剂结构比较复杂，既有单原子的铂（Pt）分布，也因为极限高温的反应条件下，导致存在一些尺寸较大的 Pt 颗粒。虽然从显微镜图像来看，这些大的颗粒比较显眼，但从催化反应的原理来看，研究团队怀疑它们其实并不“活跃”——因为它们的表面积太小。他们初步的判断是：真正起作用的，是那些高度分散的 Pt 单原子。但是，这个推论需要确凿的实验证据支持，而且还必须能说服审稿人。研究团队为此开展了一系列验证实验，其中最具挑战性、同时也最让人记忆深刻的，是使用氰化钾（KCN）对催化剂进行“选择性刻蚀”——也就是用这种剧毒的化学品把大的金属态 Pt 颗粒“洗掉”，看看催化性能是否受到影响。如果催化性能没怎么变化，那就说明大颗粒确实不是活性位点；如果性能下降明显，那说明大颗粒可能也在起作用。

氰化钾是一种非常危险的化学试剂，需要极其小心地操作。本次论文的第一作者、也是主要贡献者杜衍坤同学，在这部分实验中付出了非常多的努力。他严格遵守安全流程，逐步摸索出合适的处理方式，最终成功完成了这一实验。实验结果也如研究团队预期那样——性能没有明显下降，进一步证明了关于单原子 Pt 才是主力活性位点的判断是对的。

而研究团队第一次将论文提交到Joule时，并不顺利。可能由于这是一个相对陌生、全新的研究方向，预审稿的审稿人提出了不少非常具体、技术层面的质疑，编辑部在第一轮也给出了拒稿的结论。值得一提的是，Joule编辑部在拒稿时非常认真地给出了详细反馈，并且开放了与研究团队做进一步沟通的渠道。通过积极而坦诚的交流，他们向编辑部解释了技术路线与创新点，并争取到了一个非常宝贵的修改机会。

此后的近一年时间里，研究团队针对审稿人提出的关键问题，开展了新一轮更扎实的实验证据补充，尤其是在活性位点识别和氮氧化物控制机制方面加强了实证支持。最终，第一位审稿人对他们所做的修改表示非常认可，明确表示支持发表，后续的几位审稿人也大都给予了积极肯定。可以说，这篇论文从第一次投稿到正式发表，研究团队不仅对实验本身有了更深入的理解，也在整个过程中把论文打磨得更加扎实、更加清晰，得到了同行的认可，也提升了他们自身的研究水平。这整个过程，是一段非常宝贵的科研经历。每一个环节都凝聚着大家的智慧和努力，也让研究团队对这项工作的价值和后续的发展有了更加坚定的信心。

日前，相关论文以《单原子催化剂使催化氨燃烧在 1100℃ 下成为可能》（Single-atom catalysts enabled catalytic ammonia combustion at 1,100◦C）为题发在Joule[1]。

图 | 相关论文（来源：Joule）

后续，研究团队大致准备分三步走。

第一步，是进一步优化催化剂本身。虽然这次成果已经非常令人鼓舞，但他们也注意到，目前催化剂表面还有一些较大的 Pt 颗粒，它们并没有真正参与反应，换句话说是“浪费”了宝贵的金属资源。这也正说明研究团队还有提升空间。接下来，他们在现有设计的基础上，探索如何进一步提升原子利用效率，并尝试将贵金属 Pt 替换成其他成本更低、效果也不错的单原子金属，比如 Ru、Fe、Ni 等。目标是做到更高效、更节省、更适合大规模应用。

第二步，是研究不同的载体材料和金属组合。这次研究团队使用的是氧化锆–氧化铝作为载体，它在高温下表现不错。但未来如果想把催化温度再推高一点，或让催化剂在更复杂的气氛中保持稳定，就需要更耐高温、更抗毒化的新型载体。因此他们也计划尝试一些如尖晶石结构、氮化物、甚至高熵氧化物等新型材料体系，与不同金属搭配，争取在活性、稳定性和反应温度上进一步突破。

第三步，是往工程化方向推进，设计具体的反应器系统。实验室里的催化反应往往是理想条件下进行的，但真正要应用在工业燃烧系统中，比如锅炉、燃气轮机、加热炉等，还需要系统层面的设计和匹配。研究团队已经在初步探索不同的反应器结构，包括前燃器、燃烧稳定器、NOₓ 抑制模块等，目标是将催化剂嵌入真实的设备中，真正实现氨燃料的工程落地。

“这三步互为支撑，从材料出发，一直到应用系统，我们希望能在未来几年内持续推进这项技术，让绿色氨燃料真正走进工业现场，希望能为实现低碳未来贡献我们的一份力量。”何迁表示。

参考资料：

https://www.cell.com/cms/10.1016/j.joule.2025.102030/attachment/ec9aa951-fb1a-4f18-8bee-badf7cfbad4f/mmc2.pdf