科學難題被攻克 上科大團隊創室溫甲烷綠色轉化新突破

圖説：光促鈰催化甲烷碳氫鍵官能團化反應示意圖 上科大供圖 下同

　　在光促甲烷轉化這一重要能源化工領域中，如何突破高效金屬催化劑稀有且昂貴、反應條件嚴苛溫度高等瓶頸是公認的難題。如今，這道科學難題被攻克！由上海科技大學物質科學與技術學院左智偉帶領的一支平均年齡不到30歲的年輕科研團隊，成功研發出一種廉價、高效、可持續的鈰基催化劑和醇催化劑的協同催化體系，實現在室溫條件下利用光能促進甲烷轉化的重大突破。該成果于27日在國際頂尖學術期刊《科學》上在線發表。

圖説：研究團隊合影（左起）：胡安華（共同第一作者）、左智偉（通訊作者）、潘輝（第二作者）、郭婧婧（共同第一作者）

　　天然氣作為一種清潔能源和化工原料，隨著近年來探明儲量和開採量的不斷上升，逐漸成為最具經濟價值的重要自然資源之一。天然氣的直接化學轉化，不僅可以實現高附加值利用，還能避免天然氣運輸所帶來的高額費用和污染。天然氣中的主要化合物是甲烷，研究如何對甲烷進行直接活化，是科學上目前面臨的主要挑戰，也可以説是有機化學研究領域的“聖杯”。

　　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。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，同時往往需要高溫來提供反應活化能，這與工業中對規模性和經濟性的要求相差甚遠。光促氧化還原催化通過催化劑將光能轉化為化學能，促使很多化學反應在溫和的室溫條件下就能順利進行。左智偉團隊相信利用這一新興前沿催化技術來實現甲烷活化，將開拓甲烷綠色活化的新方向。帶著這一憧憬，團隊專注于開發廉價、可持續的催化劑，致力於研究高效利用光能來實現甲烷在室溫條件下的轉化利用。

　　經過兩年的前期工作積累，148 天衝刺，2202次嘗試和優化，左智偉課題組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同作用下，廉價稀土金屬鈰能發揮出與稀有的貴金屬相媲美的甲烷催化效果。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的甲烷到高附加值産物的轉化。

　　這一體系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，從而能夠實現一系列光促進的官能團化反應，給甲烷活化提供了條件溫和、多樣性轉化的新平臺。

　　此外，鈰催化體系的廉價實用性已引起工業界關注。國內相關制藥企業已與上科大簽訂關於鈰催化氧化反應的合作轉讓協議，致力於實現這一國際領先新技術的産業化。