甲烷, 有機化學中最難被轉化的 '頑固分子' . 近日, 上海科技大學物質科學與技術學院左智偉團隊破解了這一難題, 他們找到了一個低成本, 高效率的催化劑組合, 室溫條件下, 就可實現甲烷轉化. 這為甲烷轉化為火箭推進劑燃料等高附加值化工產品提供了新方案, 為我國高效利用特有稀土金屬資源提供了新思路. 相關研究成果日前發表在國際學術期刊《科學》上.
光促鈰催化甲烷碳氫鍵官能團化反應示意圖. 上科大供圖
隨著探明儲量和開採量的不斷提升, 天然氣逐漸成為極具經濟價值的重要自然資源之一. 如果能對天然氣進行直接的化學轉化, 那麼不僅可以實現天然氣的高附加值利用, 而且還能避免天然氣運輸帶來的高額費用和汙染. 然而, 對天然氣進行直接轉化並非易事.
天然氣中的主要化合物是甲烷, 而甲烷又是有機化學中最難被轉化的分子. 科學家一直沒找到成本低廉, 轉化高效, 反應條件溫和的轉化辦法. 據了解, 目前甲烷直接轉化的高效催化劑需要使用稀有且昂貴的鉑, 鈀等貴金屬, 反應條件還需要是高溫, 這與工業中期待甲烷直接轉化兼具規模性和經濟性的要求相去甚遠.
研究團隊合影 (左起) : 胡安華 (共同第一作者) , 左智偉 (通訊作者) , 潘輝 (第二作者) , 郭婧婧 (共同第一作者)
經過2年的前期工作積累, 148天衝刺, 2202次嘗試和優化, 左智偉團隊最終找到一個高效催化劑組合—— '鈰基催化劑+ 醇催化劑' , 即室溫條件下, 在三氯乙醇和稀土金屬鈰的協同催化下, 完成甲烷轉化.
左智偉介紹, 該催化劑組合的最大優點是充分注重反應全過程的經濟性. 第一, 反應條件只需室溫, 無需加熱或冷凝; 第二, 三氯乙醇是常見的化工原料, 作為催化劑獲取很方便; 第三, 鈰在我國稀土資源中佔比接近50%, 三氯化鈰每噸價格約1.8萬元, 相當於傳統鉑, 鈀等貴金屬催化劑價格的萬分之一.
業內專家認為, 該團隊通過精巧的化學設計找到了催化 '頑固分子' 甲烷的新方法, 為充分利用甲烷這一豐富的自然資源提供了解決方案, 在醫藥, 農業化學品和精細化工等行業中具有廣泛應用前景.
