廉價稀土有望成為新型甲烷轉化催化劑
光照一照,氣態(tài)甲烷變液態(tài)燃料,這可能嗎?近日,上??萍即髮W對外發(fā)布,該物質科學與技術學院左智偉科研團隊開發(fā)了一種廉價、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協(xié)同催化體系,使得甲烷可以在光的照射下轉化成高附加值的化工產(chǎn)品。該技術有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)高溫高壓的貴金屬催化體系,為甲烷開發(fā)利用提供嶄新和更加經(jīng)濟、環(huán)保的解決方案?!犊茖W》雜志當天凌晨在線發(fā)表這一成果。
甲烷作為天然氣的主要成分,是有機化學中最簡單的化合物,但也是最難被活化的分子。甲烷直接活化的探索,是有機化學研究領域公認的“圣杯”。左智偉教授介紹說,目前國際上常用的高效催化劑一般需要使用稀有且昂貴的貴金屬(鉑、鈀等),同時往往需要高溫高壓的反應條件,考慮到規(guī)模性和經(jīng)濟性,這種方法很難實際應用到工業(yè)中。
光促氧化還原催化是一項新興的催化技術,但用光能在室溫下活化甲烷,此前尚未有人嘗試。憑著直覺和勇氣,左智偉團隊大膽嘗試了這一催化技術,并選取了鈰這一在有機光化學中很少使用的材料作為催化劑。“鈰在我國的稀土資源中占比近50%,如果成功了,一定可以大大降低催化劑的價格。”左智偉激動地說。值得一提的是,該課題的四位作者全部來自上科大物質學院,平均年齡不到30歲,是國內(nèi)科學界的生力軍。
“從一開始我們就認識到了這種方式的風險性,因此沒有貿(mào)然對甲烷展開研究。”為了驗證方案可行性,左智偉團隊采取分步策略,先后在伯醇、丙烷等物質上進行驗證。2202次嘗試和優(yōu)化,足足花了團隊兩年時間,直到今年5月,才終于確認了最優(yōu)的催化劑組合。實驗顯示,在極其普通的三氯乙醇的協(xié)同作用下,廉價稀土金屬鈰能發(fā)揮出與稀有的貴金屬相媲美的甲烷催化效果。團隊成功地使用商品化LED光源作為反應能量來源,在室溫條件下,順利實現(xiàn)了高選擇性的甲烷到高附加值產(chǎn)物的轉化。據(jù)介紹,該種催化劑非常易得,且市售價格不到鉑類催化劑價格的萬分之一,為規(guī)模性應用奠定了優(yōu)勢。去年底,上科大和相關藥業(yè)公司簽訂了一個關于鈰催化氧化反應的合作轉讓協(xié)議,目前已經(jīng)具備百公斤級別的生產(chǎn)條件。

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