突破性進展！可見光促進甲烷高效綠色轉化

　　上海科技大學物質科學與技術學院左智偉團隊成功研發了一種廉價、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協同催化體系，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。相關研究成果以“Selective functionalization of methane, ethane and higher alkanes by cerium photocatalysis”（光促鈰催化的甲烷、乙烷和高級烷烴的選擇性光能團化）為題，于2018年7月27日在Science（《科學》）上發表。

可見光促進甲烷綠色、高效的轉化

　　隨著可燃冰的發現以及頁巖氣、油田氣、煤層氣等開采技術的發展，天然氣的使用已不僅局限作為燃料。甲烷作為天然氣中的主要成分，對它進行直接轉化利用，生產出高附加值的化工產品，對天然氣的利用有著十分重要的意義。但是，由于甲烷分子中碳氫鍵的高度穩定性和弱極性，使得它的轉化極具挑戰性，目前對甲烷的選擇性官能團化，一般需要使用稀有且昂貴的貴金屬（鉑、鈀等）作為催化劑，同時需要高溫來提供反應活化能，因此如何在溫和條件下實現甲烷分子碳氫鍵的官能團化，被認為是化學中的“圣杯”。

　　鈰金屬作為我國特有的稀土資源（占我國稀土金屬總儲量的50%），具有低廉的價格和獨特的光物理特性。考慮到鈰高價態的獨特外層電子空穴結構，研究團隊選擇配體到金屬電子躍遷（ligand-to-metal charge transfer，簡稱LMCT）這一類之前未受到廣泛關注的光促躍遷過程作為研究新型光催化劑的突破點，經過2年多時間的嘗試和優化，探索到一個廉價、高效的催化劑組合。在三氯乙醇的協同作用下，使用商品化LED光源作為反應能量來源，廉價稀土金屬鈰即能發揮與稀有貴金屬相媲美的催化效果。在室溫條件下，順利實現了甲烷高選擇性的向高附加值產品的轉化。該體系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模式，高效利用鈰催化劑將光能轉化為化學能，采用氫轉移模式來直接將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、多樣性轉化的新平臺。

　　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態產品的科學難題，為甲烷轉化成高附加值的化工產品（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、可持續的光促進鈰催化模式深入研究和進一步推廣應用，可為我國高效利用特有的稀土金屬資源提供新的思路和前景。