近日，上海科技大學物質科學與技術學院左智偉科研團隊在光促進甲烷轉化這一重要能源化工領域取得突破性進展。開發了一種廉價、高效的铈基催化劑和醇催化劑的協同催化體系，為我國高效利用特有的稀土金屬資源提供了新的思路和前景。

這一重大科研成果以“Selective functionalization of methane, ethane, and higher alkanes by ceriumphotocatalysis”為題，于國際頂尖學術期刊《科學》（Science）上在線發表。

天然氣作為一種清潔能源和化工原料，随着近年來探明儲量和開采量的不斷上升，逐漸成為最具經濟價值的重要自然資源之一。天然氣的直接化學轉化，不僅可以實現高附加值利用，還能避免天然氣運輸所帶來的高額費用和污染。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“聖杯”。

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、钯等），同時往往需要高溫高壓的反應條件，考慮到規模性和經濟性，這種方法很難實際應用到工業中。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。

憑着直覺和勇氣，左智偉團隊大膽嘗試了這一催化技術，并選取了铈這一在有機光化學中很少使用的材料作為催化劑。“铈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，是國内科學界的生力軍。

“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，先後在伯醇、丙烷等物質上進行驗證。在光促氧化還原催化領域中沒有甲烷活化的先例可供借鑒，研究團隊決定循序漸進，先選擇液化石油氣中的主要成分，丙烷作為前期研究對象。丙烷和甲烷同為惰性氣體分子，且具有更高的反應活性，有助于盡快建立催化體系。

經過2202次嘗試和優化，足足花了團隊兩年時間，直到今年5月，才終于确認了最優的催化劑組合。

實驗顯示，在極其普通的三氯乙醇的協同作用下，廉價稀土金屬铈能發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，順利實現了高選擇性的甲烷到高附加值産物的轉化。

這一體系的特色在于，突破均相催化中依賴貴金屬的碳氫鍵插入實現甲烷活化的範式，高效利用铈催化劑将光能轉化為化學能，采用氫轉移模式來直接将甲烷活化為高反應性的甲基自由基，結合自由基偶聯策略，從而能夠實現一系列光促進的官能團化反應，給甲烷活化提供了條件溫和、多樣性轉化的新平台。

這一基礎研究領域的突破，解決了利用光能在室溫下把甲烷一步轉化為液态産品的科學難題，為甲烷轉化成高附加值的化工産品（例如火箭推進劑燃料）提供了嶄新和更加經濟、環保的解決方案。同時，對這一高效、可持續的光促進铈催化模式的深入研究和進一步推廣應用，将使得甲烷可以在光的照射下轉化成高附加值的化工産品。該技術有望代替傳統高溫高壓的貴金屬催化體系，為甲烷開發利用提供嶄新和更加經濟、環保的解決方案。

據介紹，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，為規模性應用奠定了優勢。去年底，上科大和相關藥業公司簽訂了一個關于铈催化氧化反應的合作轉讓協議，目前已經具備百公斤級别的生産條件。

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