本傑明·李斯特（左）和戴維·麥克米倫（右）
又到了一年一度諾貝爾獎揭曉的日子。2021年諾貝爾化學獎“花落”德國科學家本傑明·李斯特和美國科學家戴維·麥克米倫，以表彰他們對“不對稱有機催化”方向做出的貢獻。
在現代工業的發展過程中，催化劑扮演著重要角色。特別是在汽車領域，催化劑成為產業節能低碳發展的關鍵推手。
諾獎將催化劑置於聚光燈下
據瞭解，催化劑是化學家的基本工具，能顯著提高化學反應效率；而催化技術作為工業生產的關鍵技術之一，被廣泛應用於石油煉製、醫藥化工和環境保護等領域。目前，全世界工業化學品90％以上在生產過程中都涉及化學催化。
長期以來，金屬和酶是被廣泛使用的催化劑。直到2000年，李斯特和麥克米倫才開發出第三種催化劑。這種催化劑建立在小型有機分子上，被稱為“不對稱有機催化”。此後，在兩人的引領下，有機催化領域得到持續發展，全球各地的化學家設計了大量廉價且穩定的有機催化劑，用於驅動多種化學反應，併成功應用於從醫藥到太陽能電池的多個領域，為人類發展帶來了更大的益處。
比如，在不對稱有機催化劑的幫助下，藥物生產的過程得以簡化，效率大大提高，使藥物合成更加安全簡便、高效環保。不止醫藥領域，得益於化學家構建分子的能力，有機催化劑在電池儲能領域也獲得更大的發展。李斯特與麥克米倫在不對稱有機催化方面取得的突破，有望使催化劑更環保、更低成本，從而推動製藥和電池技術的演進。
賦能傳統發動機節能減排
在汽車領域，催化劑的作用也不容小覷。國六排放標準對各項汙染物限值的要求，較國五階段顯著提高，相應加大了排放後處理的需求，而作為這一領域的重要介質，催化劑需求大幅放量、市場空間廣闊。
“催化劑對保障尾氣處理效果起到至關重要的作用。在國六階段，我國對於機動車汙染物排放控制越來越嚴格，也對尾氣處理催化劑產品提出了更高要求，催生了汽車尾氣處理催化劑應用領域的快速發展。”一家發動機企業相關負責人向《中國汽車報》記者表示，目前國六後處理系統採用的主流技術路線，使用鉑（Pt）、鈀（Pd）等貴金屬作為催化劑，增加了後處理系統的成本，這也是國六後處理系統成本較高的原因之一。
“今年以來，業內曝出一些車輛國六後處理系統被盜的現象，對方可能就是盯上了其中鉑、鈀等貴金屬的高價值。”上述發動機企業相關負責人告訴記者，“國六車輛後處理裝置中的鈀、鉑等貴金屬可以回收再利用，收購價格很高，尤其在氣體機中，鉑在整個後處理裝置中使用量較大。一臺氣體機後處理系統（6缸機）的成本，約佔整機的1/5左右。”
記者瞭解到，隨著國六排放標準逐漸實施，單車催化劑使用量大幅上升。據天風證券方面研究測算，尾氣處理催化劑單價平均增幅預計達105.72％，我國尾氣處理催化劑的市場規模將達到938億元，較原有國五排放標準下的市場規模大幅增長156％。
催化劑在國六後處理系統的廣泛應用，也讓不少企業抓住了發展的新機遇。中自科技年報顯示，自2019年7月重型天然氣車國六排放標準實施以來，憑藉前期持續的研發投入和市場開拓建立的核心技術及客戶資源優勢，該公司進入快速增長期，2018～2020年分別實現營業收入3.37億、10.01億和25.77億元，營業收入年均複合增長率高達176.89％，2020年實現淨利潤2.18億元，同比大增152.27％。目前，中自科技滿足國六排放標準的新一代尾氣處理催化劑已實現向玉柴、雲內、上柴、柳機等主流發動機企業以及中國重汽、一汽解放、北汽福田等主流整車企業批次供貨。
助力燃料電池降低成本門檻
在實現“雙碳”目標的背景下，為助力燃料電池汽車實現產業化，相關企業正在突破催化劑方面的瓶頸。
與電動汽車推廣初始階段一樣，實現關鍵原材料國產化、核心技術自主可控、降低產品生產成本是燃料電池汽車產業鏈上下游企業的共同關切。目前，“成本魔咒”成為了我國燃料電池汽車推廣應用過程中的阻礙。此前，全國人大代表、長城汽車總裁王鳳英全國兩會提案中指出，近年來，雖然我國已在燃料電池汽車領域取得全面技術突破，但部分核心材料和關鍵零部件國產化程度低，規模化生產能力還不足，核心材料及零部件成本依然高昂。
燃料電池的核心繫統是電堆，電堆的成本約佔燃料電池系統的50％～60％，而其中，催化劑作為電堆的重要組成部分之一，主要成分同樣為貴金屬鉑，在電堆成本中所佔比例較高。作為燃料電池電堆的核心材料，催化劑也是燃料電池汽車“以獎代補”政策技術攻關重點支援的八大關鍵核心零部件產品之一，其綜合性能與國產化水平直接關係到我國燃料電池技術的核心競爭力及產業化前景。
據瞭解，鉑在國內屬於稀缺資源。近年來，作為目前能源領域最重要的一類催化劑，鉑的價格持續攀升，進一步推升了下游產品成本。高昂的鉑價制約了我國燃料電池汽車產業的發展。中國工程院院士衣寶廉指出，燃料電池汽車所用的電堆用鉑做催化劑，現在國內達到了每千瓦0.3克，國際上是每千瓦0.2克左右，需要降到0.1克以下才能實現燃料電池商業化。
“此前，我國發展燃料電池汽車所需的催化劑基本依賴進口。近年來，隨著燃料電池汽車示範城市的推進和自主化發展的大力提倡，國內企業的產品得到了更多認可，可基本滿足各應用場景的壽命與可靠性要求。今後，我們在不斷驗證並最佳化技術的同時，還將透過規模量化產進一步降低燃料電池的成本，帶動關鍵材料與部件國產化應用，最終實現整個產業鏈的自主可控，使燃料電池汽車具備更高的經濟性。”驥翀氫能董事長付宇對記者表示，在燃料電池關鍵原材料中，催化劑有望最先實現國產化應用。
為突破“卡脖子”技術瓶頸，研製高效能、可量產的催化劑產品，推動解決燃料電池核心部件製備難題，近年來，國內很多科研院所都開展了相關研究，仍在探索可規模化生產、效能優異且穩定的產業化應用。
為了擺脫燃料電池催化劑鉑成本困境，國內企業也在進行燃料電池多種催化方向的有益探索，中自催化、貴研鉑業、濟平新能源、擎動科技、中科科創等國內企業也在加速相關領域佈局，推動技術創新、降低成本。
不久前，驥翀氫能與濟平新能源、博萃迴圈圍繞燃料電池鉑金催化劑的迴圈回收再利用開展深度合作，燃料電池催化劑的使用方、生產方和回收方三方形成產業鏈閉環。據前期研究結果顯示，催化劑鉑的一次回收率可達96％（二次回收率超過98％），但回收成本不超過5％。
“鉑催化劑的迴圈利用，不僅可以解決資源緊缺問題，還能降低燃料電池電堆成本，有力推進燃料電池產業化程序。未來，我們希望產業鏈上下游各方充分發揮各自優勢，將迴圈利用的模式在更大範圍內推廣。”付宇表示。
文：武新苗 編輯：龐國霞 版式：李沛洋
