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。據瞭解，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次嘗試和最佳化，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，該團隊透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瞭解決方案，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。