論文的四位作者左智偉、胡安華、郭婧婧、潘輝
上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院左智偉團(tuán)隊(duì)，在光促進(jìn)甲烷轉(zhuǎn)化這一重要能源化工領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展：成功發(fā)展了一種廉價(jià)、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協(xié)同催化體系。
這一基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的突破，解決了利用光能在室溫下把甲烷一步轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的科學(xué)難題，為甲烷轉(zhuǎn)化成高附加值的化工產(chǎn)品（例如火箭推進(jìn)劑燃料）提供了嶄新和更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的解決方案。同時(shí)，對(duì)這一高效、可持續(xù)的光促進(jìn)鈰催化模式的深入研究和進(jìn)一步推廣應(yīng)用，將為我國(guó)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(fā)表于《科學(xué)》（Science）。據(jù)悉，該課題由左智偉課題組獨(dú)立完成，四位作者全部來(lái)自上科大物質(zhì)學(xué)院，平均年齡不到30歲。
天然氣中的主要化合物是甲烷。由于甲烷分子中碳?xì)滏I的高度穩(wěn)定性和弱極性，它的轉(zhuǎn)化極具挑戰(zhàn)性，通常需要高溫高壓等苛刻的反應(yīng)條件，因此如何在溫和條件下實(shí)現(xiàn)甲烷分子碳?xì)滏I的官能團(tuán)化，被認(rèn)為是化學(xué)中的‘圣杯’。
鈰是我國(guó)特有的稀土資源，具有低廉的價(jià)格和獨(dú)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(gè)之前未受廣泛關(guān)注的簡(jiǎn)稱為 LMCT的光促躍遷過(guò)程，作為研究新型光催化劑的突破點(diǎn)。
左智偉團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)2年多的艱苦攻關(guān)，2202次嘗試和優(yōu)化，終于尋找到了一個(gè)非常廉價(jià)、高效的催化劑組合。在極其普通的三氯乙醇的協(xié)同作用下，并成功地使用商品化LED 光源作為反應(yīng)能量來(lái)源，廉價(jià)稀土金屬鈰能發(fā)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(shí)現(xiàn)了高選擇性的甲烷到高附加值產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。
該論文第一作者胡安華告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，這一體系的特色在于，突破均相催化中依左智偉賴貴金屬的碳?xì)滏I插入實(shí)現(xiàn)甲烷活化的范式，高效利用鈰催化劑將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，采用氫轉(zhuǎn)移模式來(lái)直接將甲烷活化為高反應(yīng)性的甲基自由基，結(jié)合自由基偶聯(lián)策略，從而能夠?qū)崿F(xiàn)一系列光促進(jìn)的官能團(tuán)化反應(yīng)，給甲烷活化提供了條件溫和、多樣性轉(zhuǎn)化的新平臺(tái)。
中科院院士、中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所所長(zhǎng)、上?？萍即髮W(xué)副校長(zhǎng)丁奎嶺認(rèn)為，“左智偉團(tuán)隊(duì)的工作代表了甲烷轉(zhuǎn)化研究中的一個(gè)新的重大突破，通過(guò)精妙的催化反應(yīng)設(shè)計(jì)，利用光的促進(jìn)作用，在室溫下實(shí)現(xiàn)了甲烷分子的轉(zhuǎn)化，為甲烷的資源化和高值化利用開辟了一條新的途徑。”
美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，普林斯頓大學(xué)教授David MacMillan 評(píng)價(jià)說(shuō)：“左智偉團(tuán)隊(duì)取得了一個(gè)驚人的突破。這一新的研究成果又開創(chuàng)了一個(gè)甲烷活化的新方向，他們發(fā)展的LMCT 催化方法將在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)化學(xué)品和精細(xì)化工等行業(yè)中有著毋庸置疑的應(yīng)用潛力。這是一個(gè)來(lái)自中國(guó)的年輕研究小組所完成的一項(xiàng)將在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生廣泛影響的工作，我十分期待他們的下一個(gè)突破。”
荷蘭殼牌石油公司的新能源技術(shù)資深首席科學(xué)家Alexander van der Made和甲烷轉(zhuǎn)化項(xiàng)目經(jīng)理Sander Van Bavel一致認(rèn)為：“在烷烴活化領(lǐng)域，這一工作是優(yōu)異和精巧化學(xué)設(shè)計(jì)的體現(xiàn)。更重要的是，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著，我們已經(jīng)在溫和條件下烷烴的綠色轉(zhuǎn)化道路上邁出了關(guān)鍵一步。最終，這一方向的發(fā)展將能為化學(xué)工業(yè)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(fā)出的這一獨(dú)特的鈰催化體系，催化劑的廉價(jià)實(shí)用性已經(jīng)引起了工業(yè)界的關(guān)注。2017年底，已經(jīng)與相關(guān)藥業(yè)公司簽訂了鈰催化氧化反應(yīng)的合作轉(zhuǎn)讓協(xié)議。
相關(guān)論文信息：DOI: 10.1126/science.aat9750