《科学》发表上海科技大学重大研究成果

论文的四位作者是左志伟、胡安华、郭敬敬和潘辉。

上海科技大学材料科学与技术学院的左志伟团队在光促进甲烷转化这一重要的能源和化学领域取得了突破:成功开发了一种廉价高效的铈基催化剂和醇催化剂协同催化体系。

基础研究领域的这一突破解决了在室温下利用光能一步将甲烷转化为液体产品的科学难题，为甲烷转化为高附加值的化学产品(如火箭推进剂燃料)提供了一种全新的、更经济环保的解决方案。同时，对这种高效、可持续的光促进铈催化模式的深入研究和进一步应用，将为我国特有的稀土金属资源的高效利用提供新的思路和前景。

7月27日清晨，这一重大科研成果在《科学》杂志上发表。据报道，该项目是由左志伟的研究小组独立完成的。这四位作者都来自科技大学材料研究所，平均年龄不到30岁。

天然气中的主要化合物是甲烷。由于甲烷分子中碳氢键的高稳定性和弱极性，其转化极具挑战性，通常需要苛刻的反应条件，如高温和高压。因此，如何在温和的条件下使甲烷分子中的碳氢键功能化被认为是化学中的“圣杯”。

铈是中国特有的稀土资源，价格低廉，具有独特的光物理特性。因此，研究者们选择了从配体到金属电子的过渡路径，一个被称为LMCT的光诱导过渡过程，作为研究新型光催化剂的一个突破点，这一过程以前没有得到广泛的关注。

经过2年多的艰苦研究和2202次尝试和优化，左志伟的团队终于找到了一种非常廉价和高效的催化剂组合。在极其常见的三氯乙醇的协同作用下，以及商用发光二极管光源作为反应能源的成功使用，廉价的稀土金属铈可以发挥与稀有贵金属相当的甲烷催化作用，在室温下成功实现高选择性甲烷向高附加值产品的转化。

该论文第一作者胡安华告诉《中国科学报》记者，该体系的特点是突破了均相催化作用下左志伟贵金属碳氢键插入甲烷活化的范式，利用铈催化剂将光能高效转化为化学能，利用氢转移方式将甲烷直接活化为高活性甲基*基，并结合*基偶联策略，实现了一系列光促进功能化反应，为甲烷活化的温和多样转化提供了新的平台。

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玲说:“左志伟的团队代表了甲烷转化研究的新突破。通过巧妙的催化反应设计和光的促进，甲烷分子在室温下转化，为甲烷资源的利用和高值化利用开辟了新的途径。”

“左志伟的团队取得了惊人的突破，”国家科学院院士、普林斯顿大学教授大卫·麦克米兰说。这一新的研究成果为甲烷活化开辟了新的方向。他们开发的LMCT催化法在医药、农药、精细化工等行业具有无可置疑的应用潜力。这是一个来自中国的年轻研究团队所做的工作，将会在世界上产生广泛的影响。我非常期待他们的下一个突破。"

荷兰壳牌石油公司新能源技术高级首席科学家亚历山大·范德马德(Alexander van der Made)和甲烷转化项目经理桑德·范·巴维尔(Sander Van Bavel)一致认为:“在烷烃活化领域，这项工作体现了卓越而精致的化学设计。更重要的是，这一发现标志着我们在温和条件下向烷烃的绿色转化迈出了关键的一步。最后，这一方向的发展将为化学工业充分利用甲烷这一丰富的自然资源提供解决方案。”

值得一提的是，左志伟研究小组开发的独特铈催化剂体系以其低成本和实用性吸引了业界的关注。2017年底，与相关制药公司签署了铈催化氧化反应合作转移协议。

相关论文信息:DOI: 10.1126/science.aat9750