王琳琳/新华社
光促铈催化甲烷碳氢键官能团化反应示意图。上科大供图
甲烷，有机化学中最难被转化的“顽固分子”。近日，上海科技大学物质科学与技术学院左智伟团队破解了这一难题，他们找到了一个低成本、高效率的催化剂组合，室温条件下，就可实现甲烷转化。这为甲烷转化为火箭推进剂燃料等高附加值化工产品提供了新方案，为我国高效利用特有稀土金属资源提供了新思路。相关研究成果日前发表在国际学术期刊《科学》上。
随着探明储量和开采量的不断提升，天然气逐渐成为极具经济价值的重要自然资源之一。如果能对天然气进行直接的化学转化，那么不仅可以实现天然气的高附加值利用，而且还能避免天然气运输带来的高额费用和污染。然而，对天然气进行直接转化并非易事。
天然气中的主要化合物是甲烷，而甲烷又是有机化学中最难被转化的分子。科学家一直没找到成本低廉、转化高效、反应条件温和的转化办法。据了解，目前甲烷直接转化的高效催化剂需要使用稀有且昂贵的铂、钯等贵金属，反应条件还需要是高温，这与工业中期待甲烷直接转化兼具规模性和经济性的要求相去甚远。
研究团队合影（左起）：胡安华（共同第一作者）、左智伟（通讯作者）、潘辉（第二作者）、郭婧婧（共同第一作者）
经过2年的前期工作积累、148天冲刺、2202次尝试和优化，左智伟团队最终找到一个高效催化剂组合——“铈基催化剂＋醇催化剂”，即室温条件下，在三氯乙醇和稀土金属铈的协同催化下，完成甲烷转化。
左智伟介绍，该催化剂组合的最大优点是充分注重反应全过程的经济性。第一，反应条件只需室温，无需加热或冷凝；第二，三氯乙醇是常见的化工原料，作为催化剂获取很方便；第三，铈在我国稀土资源中占比接近50%，三氯化铈每吨价格约1.8万元，相当于传统铂、钯等贵金属催化剂价格的万分之一。
业内专家认为，该团队通过精巧的化学设计找到了催化“顽固分子”甲烷的新方法，为充分利用甲烷这一丰富的自然资源提供了解决方案，在医药、农业化学品和精细化工等行业中具有广泛应用前景。
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