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又到了一年一度诺贝尔奖揭晓的日子。2021年诺贝尔化学奖“花落”德国科学家本杰明·李斯特和美国科学家戴维·麦克米伦，以表彰他们对“不对称有机催化”方向做出的贡献。
本杰明·李斯特（左）和戴维·麦克米伦（右）
在现代工业的发展过程中，催化剂扮演着重要角色。特别是在汽车领域，催化剂成为产业节能低碳发展的关键推手。
诺奖将催化剂置于聚光灯下
据了解，催化剂是化学家的基本工具，能显著提高化学反应效率；而催化技术作为工业生产的关键技术之一，被广泛应用于石油炼制、医药化工和环境保护等领域。目前，全世界工业化学品90％以上在生产过程中都涉及化学催化。
长期以来，金属和酶是被广泛使用的催化剂。直到2000年，李斯特和麦克米伦才开发出第三种催化剂。这种催化剂建立在小型有机分子上，被称为“不对称有机催化”。此后，在两人的引领下，有机催化领域得到持续发展，全球各地的化学家设计了大量廉价且稳定的有机催化剂，用于驱动多种化学反应，并成功应用于从医药到太阳能电池的多个领域，为人类发展带来了更大的益处。
比如，在不对称有机催化剂的帮助下，药物生产的过程得以简化，效率大大提高，使药物合成更加安全简便、高效环保。不止医药领域，得益于化学家构建分子的能力，有机催化剂在电池储能领域也获得更大的发展。李斯特与麦克米伦在不对称有机催化方面取得的突破，有望使催化剂更环保、更低成本，从而推动制药和电池技术的演进。来源: 新能源汽车新闻N.E.S
赋能传统发动机节能减排
在汽车领域，催化剂的作用也不容小觑。国六排放标准对各项污染物限值的要求，较国五阶段显著提高，相应加大了排放后处理的需求，而作为这一领域的重要介质，催化剂需求大幅放量、市场空间广阔。
“催化剂对保障尾气处理效果起到至关重要的作用。在国六阶段，我国对于机动车污染物排放控制越来越严格，也对尾气处理催化剂产品提出了更高要求，催生了汽车尾气处理催化剂应用领域的快速发展。”一家发动机企业相关负责人向《中国汽车报》记者表示，目前国六后处理系统采用的主流技术路线，使用铂（Pt）、钯（Pd）等贵金属作为催化剂，增加了后处理系统的成本，这也是国六后处理系统成本较高的原因之一。
“今年以来，业内曝出一些车辆国六后处理系统被盗的现象，对方可能就是盯上了其中铂、钯等贵金属的高价值。”上述发动机企业相关负责人告诉记者，“国六车辆后处理装置中的钯、铂等贵金属可以回收再利用，收购价格很高，尤其在气体机中，铂在整个后处理装置中使用量较大。一台气体机后处理系统（6缸机）的成本，约占整机的1/5左右。”
记者了解到，随着国六排放标准逐渐实施，单车催化剂使用量大幅上升。据天风证券方面研究测算，尾气处理催化剂单价平均增幅预计达105.72％，我国尾气处理催化剂的市场规模将达到938亿元，较原有国五排放标准下的市场规模大幅增长156％。
催化剂在国六后处理系统的广泛应用，也让不少企业抓住了发展的新机遇。中自科技年报显示，自2019年7月重型天然气车国六排放标准实施以来，凭借前期持续的研发投入和市场开拓建立的核心技术及客户资源优势，该公司进入快速增长期，2018～2020年分别实现营业收入3.37亿、10.01亿和25.77亿元，营业收入年均复合增长率高达176.89％，2020年实现净利润2.18亿元，同比大增152.27％。目前，中自科技满足国六排放标准的新一代尾气处理催化剂已实现向玉柴、云内、上柴、柳机等主流发动机企业以及中国重汽、一汽解放、北汽福田等主流整车企业批量供货。
助力燃料电池降低成本门槛
在实现“双碳”目标的背景下，为助力燃料电池汽车实现产业化，相关企业正在突破催化剂方面的瓶颈。
与电动汽车推广初始阶段一样，实现关键原材料国产化、核心技术自主可控、降低产品生产成本是燃料电池汽车产业链上下游企业的共同关切。目前，“成本魔咒”成为了我国燃料电池汽车推广应用过程中的阻碍。此前，全国人大代表、长城汽车总裁王凤英全国两会提案中指出，近年来，虽然我国已在燃料电池汽车领域取得全面技术突破，但部分核心材料和关键零部件国产化程度低，规模化生产能力还不足，核心材料及零部件成本依然高昂。
燃料电池的核心系统是电堆，电堆的成本约占燃料电池系统的50％～60％，而其中，催化剂作为电堆的重要组成部分之一，主要成分同样为贵金属铂，在电堆成本中所占比例较高。作为燃料电池电堆的核心材料，催化剂也是燃料电池汽车“以奖代补”政策技术攻关重点支持的八大关键核心零部件产品之一，其综合性能与国产化水平直接关系到我国燃料电池技术的核心竞争力及产业化前景。
据了解，铂在国内属于稀缺资源。近年来，作为目前能源领域最重要的一类催化剂，铂的价格持续攀升，进一步推升了下游产品成本。高昂的铂价制约了我国燃料电池汽车产业的发展。中国工程院院士衣宝廉指出，燃料电池汽车所用的电堆用铂做催化剂，现在国内达到了每千瓦0.3克，国际上是每千瓦0.2克左右，需要降到0.1克以下才能实现燃料电池商业化。
“此前，我国发展燃料电池汽车所需的催化剂基本依赖进口。近年来，随着燃料电池汽车示范城市的推进和自主化发展的大力提倡，国内企业的产品得到了更多认可，可基本满足各应用场景的寿命与可靠性要求。今后，我们在不断验证并优化技术的同时，还将通过规模量化产进一步降低燃料电池的成本，带动关键材料与部件国产化应用，最终实现整个产业链的自主可控，使燃料电池汽车具备更高的经济性。”骥翀氢能董事长付宇对记者表示，在燃料电池关键原材料中，催化剂有望最先实现国产化应用。
为突破“卡脖子”技术瓶颈，研制高性能、可量产的催化剂产品，推动解决燃料电池核心部件制备难题，近年来，国内很多科研院所都开展了相关研究，仍在探索可规模化生产、性能优异且稳定的产业化应用。
为了摆脱燃料电池催化剂铂成本困境，国内企业也在进行燃料电池多种催化方向的有益探索，中自催化、贵研铂业、济平新能源、擎动科技、中科科创等国内企业也在加速相关领域布局，推动技术创新、降低成本。
不久前，骥翀氢能与济平新能源、博萃循环围绕燃料电池铂金催化剂的循环回收再利用开展深度合作，燃料电池催化剂的使用方、生产方和回收方三方形成产业链闭环。据前期研究结果显示，催化剂铂的一次回收率可达96％（二次回收率超过98％），但回收成本不超过5％。
“铂催化剂的循环利用，不仅可以解决资源紧缺问题，还能降低燃料电池电堆成本，有力推进燃料电池产业化进程。未来，我们希望产业链上下游各方充分发挥各自优势，将循环利用的模式在更大范围内推广。”付宇表示。
文：武新苗 编辑：庞国霞 版式：李沛洋