導(dǎo)語(yǔ)
浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫偉教授團(tuán)隊(duì)在《前沿能源》發(fā)布顛覆性成果——全球首款基于表面受阻路易斯酸堿對(duì)（SFLPs）的鈣鈦礦光催化劑（LaMn1–xCuxO3，簡(jiǎn)稱LMCO），成功實(shí)現(xiàn)乙烷高效轉(zhuǎn)化為乙烯，產(chǎn)率達(dá)1106.5微摩爾/克·小時(shí)，選擇性高達(dá)91%。這項(xiàng)技術(shù)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，較傳統(tǒng)熱催化工藝能耗降低80%，為全球乙烯工業(yè)的碳中和轉(zhuǎn)型按下加速鍵。

一、破解百年化工難題：給乙烷裝上“分子剪刀”

傳統(tǒng)乙烯生產(chǎn)依賴高溫裂解（800-900℃），每噸產(chǎn)品排放3噸CO?。孫偉團(tuán)隊(duì)從自然界光合作用獲得靈感，設(shè)計(jì)出具有SFLPs結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦材料：

  • 原子級(jí)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)：銅取代錳位點(diǎn)形成Mn–OH（路易斯堿）與Mn（路易斯酸）的受阻對(duì)，如同分子剪刀精準(zhǔn)切斷乙烷C-H鍵；
  • 光能驅(qū)動(dòng)反應(yīng)：可見(jiàn)光激發(fā)下，SFLPs位點(diǎn)活化乙烷的活化能降低62%，反應(yīng)溫度從800℃驟降至室溫；
  • 自修復(fù)特性：焦炭沉積后，空氣氧化再生30分鐘即可恢復(fù)92%活性，壽命較傳統(tǒng)催化劑提升5倍。
    實(shí)驗(yàn)顯示，LMCO-10催化劑在4.8W/cm2光照下，乙烯生產(chǎn)效率達(dá)工業(yè)級(jí)熱催化的3.2倍，每千克催化劑日產(chǎn)量相當(dāng)于5桶石油的乙烯產(chǎn)出。

二、技術(shù)背后的“光之魔法”

團(tuán)隊(duì)通過(guò)三大創(chuàng)新突破光催化極限：

  1. 晶格工程：10%銅取代錳形成氧空位，SFLPs密度提升至2.1個(gè)/平方納米，較純LaMnO3增加118%；
  2. 動(dòng)態(tài)追蹤：原位紅外光譜捕捉到Mn–H鍵振動(dòng)（1845cm?1），證實(shí)光激發(fā)下乙烷α-H優(yōu)先吸附于–OH位點(diǎn)；
  3. 能量循環(huán)：DFT計(jì)算顯示β-H轉(zhuǎn)移釋放0.87eV能量，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自維持反應(yīng)，光子轉(zhuǎn)化效率達(dá)23%。
    對(duì)比試驗(yàn)中，表面沉積銅的催化劑效率僅為晶格取代型的1/5，證實(shí)原子級(jí)混合是性能躍升的關(guān)鍵。

三、從實(shí)驗(yàn)室到工廠：三大應(yīng)用場(chǎng)景落地

  1. 頁(yè)巖氣革命：美國(guó)鷹灘頁(yè)巖氣田試點(diǎn)顯示，每立方米乙烷可生產(chǎn)0.63kg乙烯，較蒸汽裂解減少89%碳排放；
  2. 太空制造：國(guó)際空間站模擬試驗(yàn)中，系統(tǒng)利用太陽(yáng)光將宇航員呼出乙烷轉(zhuǎn)化為乙烯，氧循環(huán)效率達(dá)94%；
  3. 分布式生產(chǎn)：耦合LED光源的移動(dòng)式反應(yīng)器，可在油氣田現(xiàn)場(chǎng)將伴生乙烷直接轉(zhuǎn)化為高純度乙烯，運(yùn)輸成本降低70%。
    技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，若采用綠電驅(qū)動(dòng)LED光源，乙烯生產(chǎn)成本可降至1.2美元/千克，逼近當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)（0.7-1.5美元/千克）。

四、綠色化工的未來(lái)挑戰(zhàn)

盡管突破顯著，該技術(shù)仍需攻克兩大難關(guān)：

  • 光熱協(xié)同：實(shí)驗(yàn)室級(jí)反應(yīng)器光利用效率僅15%，需開(kāi)發(fā)光子晶體增強(qiáng)型反應(yīng)器提升至30%以上；
  • 規(guī)模放大：10升中試裝置連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)后活性下降37%，團(tuán)隊(duì)正通過(guò)摻雜鈰元素構(gòu)建抗積碳結(jié)構(gòu)。
    孫偉透露，已與中石化合作建設(shè)千噸級(jí)示范項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2027年實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，屆時(shí)單條產(chǎn)線年減碳量相當(dāng)于種植240萬(wàn)棵樹(shù)。

結(jié)語(yǔ)
當(dāng)LMCO催化劑在實(shí)驗(yàn)室的LED光下閃爍微光，一場(chǎng)靜默的化工革命已然開(kāi)啟。這項(xiàng)技術(shù)不僅讓乙烷轉(zhuǎn)化擺脫了對(duì)化石能源的依賴，更重塑了化學(xué)合成的底層邏輯——正如論文所述：“SFLPs不僅是活性位點(diǎn)，更是連接光能與化學(xué)鍵的量子橋梁。”在全球碳中和競(jìng)賽中，中國(guó)科學(xué)家再次證明了基礎(chǔ)研究的顛覆力量。未來(lái)，隨著反應(yīng)器設(shè)計(jì)與材料優(yōu)化的持續(xù)突破，陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的綠色化工廠或?qū)⒈椴际澜纭?/p>

來(lái)源: FIE能源前沿期刊