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(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種廉價(jià)、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(jià)這項(xiàng)研究成果：“由于甲烷分子碳?xì)滏I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(shí)現(xiàn)甲烷分子碳?xì)滏I的官能團(tuán)化，被認(rèn)為是化學(xué)中的‘圣杯’。左智偉科研團(tuán)隊(duì)通過精妙的催化反應(yīng)設(shè)計(jì)，利用光的促進(jìn)作用，在室溫下實(shí)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。”

據(jù)左智偉介紹，為了實(shí)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(shí)高溫也是必不可少的，可以為反應(yīng)提供活化能，而這兩點(diǎn)都不符合化學(xué)工業(yè)對規(guī)模性和經(jīng)濟(jì)性的要求。

科研團(tuán)隊(duì)在接觸到光促氧化還原催化時(shí)，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(jìn)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(jià)格和獨(dú)特的光物理性質(zhì)吸引了科研團(tuán)隊(duì)的注意。他們首先選擇了配體到金屬電子的躍遷途徑——一個(gè)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(diǎn)。隨后驗(yàn)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(jìn)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(xiàng)關(guān)鍵要素。

經(jīng)過兩年的前期工作積累，左智偉科研團(tuán)隊(duì)最終找到了一個(gè)廉價(jià)、高效的催化劑組合。在三氯乙醇的協(xié)同作用下，廉價(jià)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(shí)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?xì)滏I插入實(shí)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(dú)特的鈰催化體系的廉價(jià)實(shí)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)股份有限公司和上海科大簽訂了一項(xiàng)關(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(jìn)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(bào)