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作者：陳菲 來源：中國化工報 2018年08月07日
收藏上海科大捧得有機化學領域「聖杯」
中化新網訊 記者昨日從上海科技大學獲悉，該校物質科學與技術學院左智偉科研團隊成功開發出一種廉價、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協同催化體系，解決了利用光能在室溫下把甲烷一步轉化為液態產品的科學難題，為甲烷轉化成高附加值的化工產品提供了嶄新的解決方案。這一重大科研成果在線發表於國際頂尖學術期刊《科學》(Science)上。
中國科學院院士、上海科技大學副校長丁奎嶺這樣評價這項研究成果：「由於甲烷分子碳氫鍵的高度穩定性和弱極性，它的轉化極具挑戰性，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『聖杯』。左智偉科研團隊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闢了一條新途徑。」
據左智偉介紹，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，如鉑、鈀等，同時高溫也是必不可少的，可以為反應提供活化能，而這兩點都不符合化學工業對規模性和經濟性的要求。
科研團隊在接觸到光促氧化還原催化時，發現該類反應是通過催化劑將光能轉化為化學能，使很多化學反應在室溫條件下就能順利進行。如果能將這一新興前沿催化技術用於甲烷活化，將開拓甲烷綠色活化的新方向。
鈰在我國的稀土資源中佔比超過50%，其低廉的價格和獨特的光物理性質吸引了科研團隊的注意。他們首先選擇了配體到金屬電子的躍遷途徑——一個之前未被關注的簡稱為LMCT的光促躍遷過程，作為研究新型光催化劑的突破點。隨後驗證了鈰化合物在LMCT催化中將光能轉化為化學能的可行性，並進一步利用光能直接將醇活化形成高能的氧自由基，基本完成了甲烷光促轉化催化循環中的各項關鍵要素。
經過兩年的前期工作積累，左智偉科研團隊最終找到了一個廉價、高效的催化劑組合。在三氯乙醇的協同作用下，廉價稀土金屬鈰能發揮出與稀有貴金屬相媲美的甲烷催化效果。他們使用商品化LED光源作為反應能量來源，在室溫條件下，成功實現了高選擇性的甲烷到高附加值產物的轉化。
這一催化體系的特色在於突破了均相催化中依賴貴金屬的碳氫鍵插入實現甲烷活化的範式，高效利用鈰催化劑將光能轉化為化學能，採用氫轉移模式來直接將甲烷活化為高反應性的甲基自由基，結合自由基偶聯策略，從而為甲烷活化提供了條件溫和、多樣性轉化的新平臺。
這一獨特的鈰催化體系的廉價實用性引已經起了工業界的關注。2017年年底，浙江九洲藥業股份有限公司和上海科大籤訂了一項關於鈰催化氧化反應的合作轉讓協議，並在中試放大上取得進展，目前已經具備百千克級別生產的條件。