科學家開發出獨特的鈰催化體系

論文的四位作者左智偉、胡安華、郭婧婧、潘輝

上海科技大學物質科學與技術學院左智偉團隊，在光促進甲烷轉化這一重要能源化工領域取得突破性進展：成功發展了一種廉價、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協同催化體系。

這一基礎研究領域的突破，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（例如火箭推進劑燃料）提供了嶄新和更加經濟、環保的解決方案。同時，對這一高效、可持續的光促進鈰催化模式的深入研究和進一步推廣應用，將為我國高效利用特有的稀土金屬資源提供新的思路和前景。

7月27日凌晨，這一重大科研成果在線發表於《科學》（Science）。據悉，該課題由左智偉課題組獨立完成，四位作者全部來自上科大物質學院，平均年齡不到30歲。

天然氣中的主要化合物是甲烷。由於甲烷分子中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』。

鈰是我國特有的稀土資源，具有低廉的價格和獨特的光物理特性，因此研究人員選擇了配體到金屬電子躍遷途徑，一個之前未受廣泛關注的簡稱為 LMCT的光促躍遷過程，作為研究新型光催化劑的突破點。

左智偉團隊經過2年多的艱苦攻關，2202次嘗試和優化，終於尋找到了一個非常廉價、高效的催化劑組合。在極其普通的三氯乙醇的協同作用下，並成功地使用商品化LED 光源作為反應能量來源，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，在室溫條件下，順利實現了高選擇性的甲烷到高附加值產物的轉化。

該論文第一作者胡安華告訴《中國科學報》記者，這一體系的特色在於，突破均相催化中依左智偉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、多樣性轉化的新平台。

中科院院士、中科院上海有機化學研究所所長、上海科技大學副校長丁奎嶺認為，「左智偉團隊的工作代表了甲烷轉化研究中的一個新的重大突破，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的途徑。」

美國國家科學院院士，普林斯頓大學教授David MacMillan 評價說：「左智偉團隊取得了一個驚人的突破。這一新的研究成果又開創了一個甲烷活化的新方向，他們發展的LMCT 催化方法將在醫藥、農業化學品和精細化工等行業中有著毋庸置疑的應用潛力。這是一個來自中國的年輕研究小組所完成的一項將在世界範圍內產生廣泛影響的工作，我十分期待他們的下一個突破。」

荷蘭殼牌石油公司的新能源技術資深首席科學家Alexander van der Made和甲烷轉化項目經理Sander Van Bavel一致認為：「在烷烴活化領域，這一工作是優異和精巧化學設計的體現。更重要的是，這一發現標誌著，我們已經在溫和條件下烷烴的綠色轉化道路上邁出了關鍵一步。最終，這一方向的發展將能為化學工業充分利用甲烷這一豐富的自然資源提供解決方案。」

值得一提的是，左智偉課題組開發出的這一獨特的鈰催化體系，催化劑的廉價實用性已經引起了工業界的關注。2017年底，已經與相關葯業公司簽訂了鈰催化氧化反應的合作轉讓協議。

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