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科学难题被攻克!上科大团队创室温甲烷绿色转化新突破

来源:新民晚报     记者:郜阳     作者:郜阳     编辑:杨硕     2018-07-28 08:59 | |

图说:光促铈催化甲烷碳氢键官能团化反应示意图 上科大供图 下同 

新民晚报讯(实习生 冯琪 见习记者 郜阳)在光促甲烷转化这一重要能源化工领域中,如何突破高效金属催化剂稀有且昂贵、反应条件严苛温度高等瓶颈是公认的难题。如今,这道科学难题被攻克!由上海科技大学物质科学与技术学院左智伟带领的一支平均年龄不到30岁的年轻科研团队,成功研发出一种廉价、高效、可持续的铈基催化剂和醇催化剂的协同催化体系,实现在室温条件下利用光能促进甲烷转化的重大突破。该成果于27日在国际顶尖学术期刊《科学》上在线发表。

图说:研究团队合影(左起):胡安华(共同第一作者)、左智伟(通讯作者)、潘辉(第二作者)、郭婧婧(共同第一作者) 

天然气作为一种清洁能源和化工原料,随着近年来探明储量和开采量的不断上升,逐渐成为最具经济价值的重要自然资源之一。天然气的直接化学转化,不仅可以实现高附加值利用,还能避免天然气运输所带来的高额费用和污染。天然气中的主要化合物是甲烷,研究如何对甲烷进行直接活化,是科学上目前面临的主要挑战,也可以说是有机化学研究领域的“圣杯”。

甲烷是最小的有机分子,也是有机化学中最难被活化的分子,其惰性碳氢键带来的低反应活性和在溶液中的低溶解度给催化甲烷活化带来了巨大挑战。因此,为了实现高选择性甲烷转化,目前的高效催化剂一般需要使用稀有且昂贵的贵金属,同时往往需要高温来提供反应活化能,这与工业中对规模性和经济性的要求相差甚远。光促氧化还原催化通过催化剂将光能转化为化学能,促使很多化学反应在温和的室温条件下就能顺利进行。左智伟团队相信利用这一新兴前沿催化技术来实现甲烷活化,将开拓甲烷绿色活化的新方向。带着这一憧憬,团队专注于开发廉价、可持续的催化剂,致力于研究高效利用光能来实现甲烷在室温条件下的转化利用。

经过两年的前期工作积累,148 天冲刺,2202次尝试和优化,左智伟课题组最终寻找到一个非常廉价、高效的催化剂组合。在极其普通的三氯乙醇的协同作用下,廉价稀土金属铈能发挥出与稀有的贵金属相媲美的甲烷催化效果。他们成功地使用商品化LED 光源作为反应能量来源,在室温条件下,顺利实现了高选择性的甲烷到高附加值产物的转化。

这一体系突破了均相催化中依赖贵金属的碳氢键插入实现甲烷活化的范式,高效利用铈催化剂将光能转化为化学能,采用氢转移模式来直接将甲烷活化为高反应性的甲基自由基,结合自由基偶联策略,从而能够实现一系列光促进的官能团化反应,给甲烷活化提供了条件温和、多样性转化的新平台。

此外,铈催化体系的廉价实用性已引起工业界关注。国内相关制药企业已与上科大签订关于铈催化氧化反应的合作转让协议,致力于实现这一国际领先新技术的产业化。

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