天然氣作為一種清潔能源和化工原料，其主要化合物甲烷的直接活化，是目前科學上面臨的主要挑戰(zhàn)，由于難度甚高，更被稱為有機化學研究領(lǐng)域的“圣杯”。27日凌晨，上?？萍即髮W物質(zhì)科學與技術(shù)學院傳來好消息，該院科研團隊成功發(fā)展了一種廉價、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協(xié)同催化體系，在促進甲烷轉(zhuǎn)化這一重要能源化工領(lǐng)域取得突破性進展。

“這群平均年齡不到30歲的年輕人歷經(jīng)兩年前期工作積累，最終尋找到一個非常廉價、高效的催化劑組合。”上?？萍即髮W副校長兼教務長印杰表示，這一基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的突破不僅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)品的科學難題，同時為甲烷轉(zhuǎn)化成高附加值的化工產(chǎn)品提供了嶄新和更加經(jīng)濟、環(huán)保的解決方案。據(jù)悉，相關(guān)成果于已在國際頂尖學術(shù)期刊《科學》上發(fā)表。

“甲烷是最小的有機分子，也是有機化學中最難被活化的分子。”該論文通訊作者、物質(zhì)學院助理教授左智偉表示，甲烷的惰性碳氫鍵帶來的低反應活性和在溶液中的低溶解度給催化甲烷活化帶來了巨大挑戰(zhàn)。

目前，市場上為實現(xiàn)高選擇性甲烷轉(zhuǎn)化，往往選用稀有且昂貴的貴金屬（鉑、鈀等）作為高效催化劑。有沒有更好的解決方法？我國特有的稀土資源引起了課題組強烈興趣。雖然鈰在光促有機反應中很少被用作催化劑，但它在我國的稀土資源中占比約50%，價格低廉卻具有獨特的光物理性質(zhì)。論文第一作者、左智偉課題組博士后胡安華表示，通過對鈰高價態(tài)的獨特電子結(jié)構(gòu)的分析，課題組選擇了配體到金屬電子躍遷途徑，作為研究新型光催化劑的突破點。

經(jīng)過一年反復實驗，課題組終于在2016年驗證了簡單易得的鈰化合物在LMCT（配體到金屬電子躍遷）催化中將光能轉(zhuǎn)化為化學能的可行性。去年底，進一步在鈰催化的伯醇直接活化研究中取得突破，課題組得以利用光能直接將醇活化形成高能的氧自由基。“這兩項工作的完成，意味著我們在兩年前設(shè)計的甲烷光促轉(zhuǎn)化的催化循環(huán)中各項關(guān)鍵要素已經(jīng)具備。”胡安華說。

由于沒有先例可循，團隊決定循序漸進，先選擇液化石油氣中的主要成分——丙烷，作為前期研究對象。“丙烷和甲烷同為惰性氣體分子，且具有更高的反應活性，有助于盡快建立催化體系。”同為該文章第一作者、左智偉課題組博士后的郭婧婧表示，今年春節(jié)前，課題組就已發(fā)現(xiàn)有效的鈰和醇類催化劑的組合。今年3月16號，在氣相色譜儀的分析譜圖中，4.705分的一個微弱信號峰讓組員們緊張的情緒得到了放松。“盡管只代表著2.5%的產(chǎn)率，但這一信號峰標志著甲烷活化產(chǎn)物在催化體系中首次出現(xiàn)。”經(jīng)過一輪又一輪的實驗參數(shù)優(yōu)化和反應器的改進，今年“五一”期間，課題組最終確認了最優(yōu)的催化劑。在極其普通的三氯乙醇協(xié)同作用下，廉價稀土金屬鈰能發(fā)揮出與稀有的貴金屬相媲美的甲烷催化效果，課題組成功地使用商品化LED光源作為反應能量來源，在室溫條件下，順利實現(xiàn)了高選擇性的甲烷到高附加值產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。

“通過精妙的催化反應設(shè)計，利用光的促進作用，在室溫下實現(xiàn)甲烷分子轉(zhuǎn)化。”有機化學家、中國科學院院士、中國科學院上海有機化學研究所所長、上海科技大學副校長丁奎嶺表示，左智偉團隊的工作代表了甲烷轉(zhuǎn)化研究中的一個新的重大突破，也為甲烷的資源化和高值化利用開辟了一條新途徑。

據(jù)左智偉透露，目前這一獨特的鈰催化體系，其催化劑的廉價與實用性已引起工業(yè)界的關(guān)注。去年底，國內(nèi)某制藥龍頭企業(yè)已和上科大簽署關(guān)于鈰催化氧化反應的合作轉(zhuǎn)讓協(xié)議，“未來，我們希望能為化學工業(yè)充分利用甲烷這一豐富的自然資源提供更多解決方案。”

作者：見習記者 李晨琰