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甲烷室温一步转化液态产品成真

浏览次数: 日期:2018年8月7日 13:26

上海科大捧得有机化学领域“圣杯”

来源:中国化工报

记者昨日从上海科技大学获悉,该校物质科学与技术学院左智伟科研团队成功开发出一种廉价、高效的铈基催化剂和醇催化剂的协同催化体系,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提供了崭新的解决方案。这一重大科研成果在线发表于国际顶尖学术期刊《科学》(Science)上。

中国科学院院士、上海科技大学副校长丁奎岭这样评价这项研究成果:“由于甲烷分子碳氢键的高度稳定性和弱极性,它的转化极具挑战性,通常需要高温高压等苛刻的反应条件,因此如何在温和条件下实现甲烷分子碳氢键的官能团化,被认为是化学中的‘圣杯’。左智伟科研团队通过精妙的催化反应设计,利用光的促进作用,在室温下实现了甲烷分子的转化,为甲烷的资源化和高值化利用开辟了一条新途径。”

据左智伟介绍,为了实现高选择性甲烷转化,目前的高效催化剂一般需要使用稀有且昂贵的贵金属,如铂、钯等,同时高温也是必不可少的,可以为反应提供活化能,而这两点都不符合化学工业对规模性和经济性的要求。

科研团队在接触到光促氧化还原催化时,发现该类反应是通过催化剂将光能转化为化学能,使很多化学反应在室温条件下就能顺利进行。如果能将这一新兴前沿催化技术用于甲烷活化,将开拓甲烷绿色活化的新方向。

铈在我国的稀土资源中占比超过50%,其低廉的价格和独特的光物理性质吸引了科研团队的注意。他们首先选择了配体到金属电子的跃迁途径——一个之前未被关注的简称为LMCT的光促跃迁过程,作为研究新型光催化剂的突破点。随后验证了铈化合物在LMCT催化中将光能转化为化学能的可行性,并进一步利用光能直接将醇活化形成高能的氧自由基,基本完成了甲烷光促转化催化循环中的各项关键要素。

经过两年的前期工作积累,左智伟科研团队最终找到了一个廉价、高效的催化剂组合。在三氯乙醇的协同作用下,廉价稀土金属铈能发挥出与稀有贵金属相媲美的甲烷催化效果。他们使用商品化LED光源作为反应能量来源,在室温条件下,成功实现了高选择性的甲烷到高附加值产物的转化。

这一催化体系的特色在于突破了均相催化中依赖贵金属的碳氢键插入实现甲烷活化的范式,高效利用铈催化剂将光能转化为化学能,采用氢转移模式来直接将甲烷活化为高反应性的甲基自由基,结合自由基偶联策略,从而为甲烷活化提供了条件温和、多样性转化的新平台。

这一独特的铈催化体系的廉价实用性引已经起了工业界的关注。2017年年底,浙江九洲药业股份有限公司和上海科大签订了一项关于铈催化氧化反应的合作转让协议,并在中试放大上取得进展,目前已经具备百千克级别生产的条件。

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