8月6日從上海科技大學(xué)獲悉，該校物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院左智偉科研團隊成功開發(fā)出一種廉價、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協(xié)同催化體系，解決了利用光能在室溫下把甲烷一步轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的科學(xué)難題，為甲烷轉(zhuǎn)化成高附加值的化工產(chǎn)品提供了嶄新的解決方案。這一重大科研成果在線發(fā)表于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上。

中國科學(xué)院院士、上海科技大學(xué)副校長丁奎嶺這樣評價這項研究成果：“由于甲烷分子碳氫鍵的高度穩(wěn)定性和弱極性，它的轉(zhuǎn)化極具挑戰(zhàn)性，通常需要高溫高壓等苛刻的反應(yīng)條件，因此如何在溫和條件下實現(xiàn)甲烷分子碳氫鍵的官能團化，被認為是化學(xué)中的‘圣杯’。左智偉科研團隊通過精妙的催化反應(yīng)設(shè)計，利用光的促進作用，在室溫下實現(xiàn)了甲烷分子的轉(zhuǎn)化，為甲烷的資源化和高值化利用開辟了一條新途徑?！?/span>

據(jù)左智偉介紹，為了實現(xiàn)高選擇性甲烷轉(zhuǎn)化，目前的高效催化劑一般需要使用稀有且昂貴的貴金屬，如鉑、鈀等，同時高溫也是必不可少的，可以為反應(yīng)提供活化能，而這兩點都不符合化學(xué)工業(yè)對規(guī)模性和經(jīng)濟性的要求。

科研團隊在接觸到光促氧化還原催化時，發(fā)現(xiàn)該類反應(yīng)是通過催化劑將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，使很多化學(xué)反應(yīng)在室溫條件下就能順利進行。如果能將這一新興前沿催化技術(shù)用于甲烷活化，將開拓甲烷綠色活化的新方向。

鈰在我國的稀土資源中占比超過50%，其低廉的價格和獨特的光物理性質(zhì)吸引了科研團隊的注意。他們首先選擇了配體到金屬電子的躍遷途徑——一個之前未被關(guān)注的簡稱為LMCT的光促躍遷過程，作為研究新型光催化劑的突破點。隨后驗證了鈰化合物在LMCT催化中將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的可行性，并進一步利用光能直接將醇活化形成高能的氧自由基，基本完成了甲烷光促轉(zhuǎn)化催化循環(huán)中的各項關(guān)鍵要素。

經(jīng)過兩年的前期工作積累，左智偉科研團隊最終找到了一個廉價、高效的催化劑組合。在三氯乙醇的協(xié)同作用下，廉價稀土金屬鈰能發(fā)揮出與稀有貴金屬相媲美的甲烷催化效果。他們使用商品化LED光源作為反應(yīng)能量來源，在室溫條件下，成功實現(xiàn)了高選擇性的甲烷到高附加值產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。

這一催化體系的特色在于突破了均相催化中依賴貴金屬的碳氫鍵插入實現(xiàn)甲烷活化的范式，高效利用鈰催化劑將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，采用氫轉(zhuǎn)移模式來直接將甲烷活化為高反應(yīng)性的甲基自由基，結(jié)合自由基偶聯(lián)策略，從而為甲烷活化提供了條件溫和、多樣性轉(zhuǎn)化的新平臺。

這一獨特的鈰催化體系的廉價實用性引已經(jīng)起了工業(yè)界的關(guān)注。2017年年底，浙江九洲藥業(yè)股份有限公司和上?？拼蠛炗喠艘豁楆P(guān)于鈰催化氧化反應(yīng)的合作轉(zhuǎn)讓協(xié)議，并在中試放大上取得進展，目前已經(jīng)具備百千克級別生產(chǎn)的條件。

來源：中國化工報