甲烷转化新途径廉价稀土催化剂

08月

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近日，上海科技大学物质科学与技术学院左智伟科研团队在光促进甲烷转化这一重要能源化工领域取得突破性进展。开发了一种廉价、高效的铈基催化剂和醇催化剂的协同催化体系，为我国高效利用特有的稀土金属资源提供了新的思路和前景。

这一重大科研成果以“Selective functionalization of methane, ethane, and higher alkanes by ceriumphotocatalysis”为题，于国际顶尖学术期刊《科学》（Science）上在线发表。

前路艰险 有机化学领域重大难题

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。甲烷作为天然气的主要成分，是有机化学中最简单的化合物，但也是最难被活化的分子。甲烷直接活化的探索，是有机化学研究领域公认的“圣杯”。

左智伟教授介绍说，目前国际上常用的高效催化剂一般需要使用稀有且昂贵的贵金属（铂、钯等），同时往往需要高温高压的反应条件，考虑到规模性和经济性，这种方法很难实际应用到工业中。光促氧化还原催化是一项新兴的催化技术，但用光能在室温下活化甲烷，此前尚未有人尝试。

一往无前 不畏艰险勇攻难关

凭着直觉和勇气，左智伟团队大胆尝试了这一催化技术，并选取了铈这一在有机光化学中很少使用的材料作为催化剂。“铈在我国的稀土资源中占比近50%，如果成功了，一定可以大大降低催化剂的价格。”左智伟激动地说。值得一提的是，该课题的四位作者全部来自上科大物质学院，平均年龄不到30岁，是国内科学界的生力军。

“从一开始我们就认识到了这种方式的风险性，因此没有贸然对甲烷展开研究。”为了验证方案可行性，左智伟团队采取分步策略，先后在伯醇、丙烷等物质上进行验证。在光促氧化还原催化领域中没有甲烷活化的先例可供借鉴，研究团队决定循序渐进，先选择液化石油气中的主要成分，丙烷作为前期研究对象。丙烷和甲烷同为惰性气体分子，且具有更高的反应活性，有助于尽快建立催化体系。

经过2202次尝试和优化，足足花了团队两年时间，直到今年5月，才终于确认了最优的催化剂组合。

双重突破 经济与社会价值俱显

这一基础研究领域的突破，解决了利用光能在室温下把甲烷一步转化为液态产品的科学难题，为甲烷转化成高附加值的化工产品（例如火箭推进剂燃料）提供了崭新和更加经济、环保的解决方案。同时，对这一高效、可持续的光促进铈催化模式的深入研究和进一步推广应用，将使得甲烷可以在光的照射下转化成高附加值的化工产品。该技术有望代替传统高温高压的贵金属催化体系，为甲烷开发利用提供崭新和更加经济、环保的解决方案。

据介绍，该种催化剂非常易得，且市售价格不到铂类催化剂价格的万分之一，为规模性应用奠定了优势。去年底，上科大和相关药业公司签订了一个关于铈催化氧化反应的合作转让协议，目前已经具备百公斤级别的生产条件。