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.
光促铈催化甲烷碳氢键官能团化反应示意图. 上科大供图
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.
