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稀土催化剂——甲烷转化的一种新的催化剂

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-07-30  来源:科技日报  
核心提示:只要LED灯光一照,气态甲烷变液态燃料,这可能吗?近日,上海科技大学对外发布,该物质科学与技术学院左智伟科研团队开发了一种廉价、高效的铈基催化剂和醇催化剂的协同催化体系,使得甲烷可以在光的照射下转化成高附加值的化工产品。该技术有望代替传统高温高压的贵金属催化体系,为甲烷开发利用提供崭新和更加经济、环保的解决方案。
     只要LED灯光一照,气态甲烷变液态燃料,这可能吗?近日,上海科技大学对外发布,该物质科学与技术学院左智伟科研团队开发了一种廉价、高效的铈基催化剂和醇催化剂的协同催化体系,使得甲烷可以在光的照射下转化成高附加值的化工产品。该技术有望代替传统高温高压的贵金属催化体系,为甲烷开发利用提供崭新和更加经济、环保的解决方案。《科学》杂志当天凌晨在线发表这一成果,值得一提的是,该课题的四位作者全部来自上科大物质学院,平均年龄不到30岁,是国内科学界的生力军。

目前,市场上为实现高选择性甲烷转化,往往选用稀有且昂贵的贵金属(铂、钯等)作为高效催化剂。有没有更好的解决方法?我国特有的稀土资源引起了课题组强烈兴趣。虽然铈在光促有机反应中很少被用作催化剂,但它在我国的稀土资源中占比约50%,价格低廉却具有独特的光物理性质。论文第一作者、左智伟课题组博士后胡安华表示,通过对铈高价态的独特电子结构的分析,课题组选择了配体到金属电子跃迁途径,作为研究新型光催化剂的突破点。

光促氧化还原催化是一项新兴的催化技术,但用光能在室温下活化甲烷,此前尚未有人尝试。凭着直觉和勇气,左智伟团队大胆尝试了这一催化技术,并选取了铈这一在有机光化学中很少使用的材料作为催化剂。

“从一开始我们就认识到了这种方式的风险性,因此没有贸然对甲烷展开研究。”为了验证方案可行性,左智伟团队采取分步策略,先后在伯醇、丙烷等物质上进行验证。2202次尝试和优化,足足花了团队两年时间,直到今年5月,才终于确认了最优的催化剂组合。实验显示,在极其普通的三氯乙醇的协同作用下,廉价稀土金属铈能发挥出与稀有的贵金属相媲美的甲烷催化效果。团队成功地使用商品化LED光源作为反应能量来源,在室温条件下,顺利实现了高选择性的甲烷到高附加值产物的转化。据介绍,该种催化剂非常易得,且市售价格不到铂类催化剂价格的万分之一,为规模性应用奠定了优势。

    “通过精妙的催化反应设计,利用光的促进作用,在室温下实现甲烷分子转化。”有机化学家、中国科学院院士、中国科学院上海有机化学研究所所长、上海科技大学副校长丁奎岭表示,左智伟团队的工作代表了甲烷转化研究中的一个新的重大突破,也为甲烷的资源化和高值化利用开辟了一条新途径。去年底,上科大和相关药业公司签订了一个关于铈催化氧化反应的合作转让协议,目前已经具备百公斤级别的生产条件。


 




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