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中国学者在甲烷绿色转化领域取得突破性进展
2018年07月31日    作者: 康强,黄宝晟,陈拥军    发布 : 化学科学部

随着可燃冰的发现以及页岩气、油田气、煤层气等开采技术的发展,天然气的使用已不仅局限作为燃料。甲烷作为天然气中的主要成分,对它进行直接转化利用,生产出高附加值的化工产品,对天然气的利用有着十分重要的意义。但是,由于甲烷分子中碳氢键的高度稳定性和弱极性,使得它的转化极具挑战性,目前对甲烷的选择性官能团化,一般需要使用稀有且昂贵的贵金属(铂、钯等)作为催化剂,同时需要高温来提供反应活化能,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’。

上海科技大学物质科学与技术学院左智伟团队,成功发展了一种廉价、高效的铈基催化剂和醇催化剂的协同催化体系,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。相关研究成果以Selective functionalization of methane, ethane, and higher alkanes by cerium photocatalysis(光促铈催化的甲烷、乙烷和高级烷烃的选择性光能团化)为题,于2018年7月27日发表在Science(科学)上。论文链接: http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/25/science.aat9750

左智伟成果图.jpg

图1. 可见光促进甲烷绿色、高效的转化

铈金属作为我国特有的稀土资源(占我国稀土金属总储量的50%),具有低廉的价格和独特的光物理特性。考虑到铈高价态的独特外层电子空穴结构,研究团队选择配体到金属电子跃迁(ligand-to-metal charge transfer,简称LMCT)这一类之前未受到广泛关注的光促跃迁过程作为研究新型光催化剂的突破点,经过2年多时间的尝试和优化,探索到一个廉价、高效的催化剂组合。在三氯乙醇的协同作用下,使用商品化LED光源作为反应能量来源,廉价稀土金属铈即能发挥与稀有贵金属相媲美的催化效果。在室温条件下,顺利实现了甲烷高选择性的向高附加值产品的转化。该体系突破均相催化中依赖贵金属的碳氢键插入实现甲烷活化的模式,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,从而能够实现一系列光促进的官能团化反应,给甲烷活化提供了条件温和、多样性转化的新平台。

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深入研究和进一步推广应用,可为我国高效利用特有的稀土金属资源提供新的思路和前景。

上述工作得到国家自然科学基金面上项目(21772121)的资助。

化学科学部:康强,黄宝晟,陈拥军

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