我國科學家找到室溫條件下轉化甲烷的新途徑

上海科技大學物質科學與技術學院左智偉的科研團隊成功發(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，在光促進甲烷轉化這一重要能源化工領域取得突破性進展。

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，其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)。因此，為了實現高選擇性甲烷轉化，目前的高效催化劑一般需要使用稀有且昂貴的貴金屬(鉑、鈀等)，同時往往需要高溫來提供反應活化能，這與工業(yè)中對規(guī)模性和經濟性的要求相差甚遠。

經過幾年研究，該研發(fā)團隊最終尋找到一個非常廉價、高效的催化劑組合。在極其普通的三氯乙醇的協(xié)同作用下，廉價稀土金屬鈰能發(fā)揮出與稀有的貴金屬相媲美地甲烷催化效果。他們成功地使用商品化LED光源作為反應能量來源，在室溫條件下，順利實現了高選擇性地甲烷到高附加值產物的轉化。據稱，該催化劑組合的最大優(yōu)點是充分注重反應全過程的經濟性。反應條件只需室溫，無需加熱或冷凝；三氯乙醇是常見的化工原料，作為催化劑獲取很方便；鈰在我國稀土資源中占比接近50%，三氯化鈰每噸價格約1.8萬元，相當于傳統(tǒng)鉑、鈀等貴金屬催化劑價格的萬分之一。

業(yè)內專家認為，甲烷分子的碳氫鍵活化和官能團化是涉及能源和化工過程最基本的化學反應之一，由于甲烷分子中碳氫鍵的高度穩(wěn)定性和弱極性，它的轉化極具挑戰(zhàn)性，通常需要高溫高壓等苛刻的反應條件，因此如何在溫和條件下實現甲烷分子碳氫鍵的官能團化，被認為是化學中的‘圣杯’。該團隊的工作代表了甲烷轉化研究中的一個新的重大突破，通過精妙的催化反應設計，利用光的促進作用，在室溫下實現了甲烷分子的轉化，為甲烷的資源化和高值化利用開辟了一條新的途徑。

這一獨特的鈰催化體系的廉價實用性已經引起了工業(yè)界的關注。2017年底，國內制藥龍頭企業(yè)之一的浙江九洲藥業(yè)股份有限公司已和上?？萍即髮W簽訂了一個關于鈰催化氧化反應的合作轉讓協(xié)議。最近研發(fā)人員在很短的時間內就在工藝放大上取得了很大的進展，目前已經具備100 kg級別生產的條件。