我國科學(xué)家找到室溫條件下轉(zhuǎn)化甲烷的新途徑

上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院左智偉的科研團(tuán)隊(duì)成功發(fā)展了一種廉價(jià)、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協(xié)同催化體系，在光促進(jìn)甲烷轉(zhuǎn)化這一重要能源化工領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

甲烷是最小的有機(jī)分子，也是有機(jī)化學(xué)中最難被活化的分子，其惰性碳?xì)滏I帶來的低反應(yīng)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(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(鉑、鈀等)，同時(shí)往往需要高溫來提供反應(yīng)活化能，這與工業(yè)中對(duì)規(guī)模性和經(jīng)濟(jì)性的要求相差甚遠(yuǎn)。

經(jīng)過幾年研究，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)最終尋找到一個(gè)非常廉價(jià)、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(jià)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(yīng)能量來源，在室溫條件下，順利實(shí)現(xiàn)了高選擇性地甲烷到高附加值產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。據(jù)稱，該催化劑組合的最大優(yōu)點(diǎn)是充分注重反應(yīng)全過程的經(jīng)濟(jì)性。反應(yīng)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(jià)格約1.8萬元，相當(dāng)于傳統(tǒng)鉑、鈀等貴金屬催化劑價(jià)格的萬分之一。

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，甲烷分子的碳?xì)滏I活化和官能團(tuán)化是涉及能源和化工過程最基本的化學(xué)反應(yīng)之一，由于甲烷分子中碳?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’。該團(tuán)隊(duì)的工作代表了甲烷轉(zhuǎn)化研究中的一個(gè)新的重大突破，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的途徑。

這一獨(dú)特的鈰催化體系的廉價(jià)實(shí)用性已經(jīng)引起了工業(yè)界的關(guān)注。2017年底，國內(nèi)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海科技大學(xué)簽訂了一個(gè)關(guān)于鈰催化氧化反應(yīng)的合作轉(zhuǎn)讓協(xié)議。最近研發(fā)人員在很短的時(shí)間內(nèi)就在工藝放大上取得了很大的進(jìn)展，目前已經(jīng)具備100 kg級(jí)別生產(chǎn)的條件。