导语
浙江大学材料科学与工程学院孙伟教授团队在《前沿能源》发布颠覆性成果——全球首款基于表面受阻路易斯酸碱对（SFLPs）的钙钛矿光催化剂（LaMn1–xCuxO3，简称LMCO），成功实现乙烷高效转化为乙烯，产率达1106.5微摩尔/克·小时，选择性高达91%。这项技术将太阳能直接转化为化学能，较传统热催化工艺能耗降低80%，为全球乙烯工业的碳中和转型按下加速键。

一、破解百年化工难题：给乙烷装上“分子剪刀”

传统乙烯生产依赖高温裂解（800-900℃），每吨产品排放3吨CO₂。孙伟团队从自然界光合作用获得灵感，设计出具有SFLPs结构的钙钛矿材料：

  • 原子级精准设计：铜取代锰位点形成Mn–OH（路易斯碱）与Mn（路易斯酸）的受阻对，如同分子剪刀精准切断乙烷C-H键；
  • 光能驱动反应：可见光激发下，SFLPs位点活化乙烷的活化能降低62%，反应温度从800℃骤降至室温；
  • 自修复特性：焦炭沉积后，空气氧化再生30分钟即可恢复92%活性，寿命较传统催化剂提升5倍。
    实验显示，LMCO-10催化剂在4.8W/cm²光照下，乙烯生产效率达工业级热催化的3.2倍，每千克催化剂日产量相当于5桶石油的乙烯产出。

二、技术背后的“光之魔法”

团队通过三大创新突破光催化极限：

  1. 晶格工程：10%铜取代锰形成氧空位，SFLPs密度提升至2.1个/平方纳米，较纯LaMnO3增加118%；
  2. 动态追踪：原位红外光谱捕捉到Mn–H键振动（1845cm⁻¹），证实光激发下乙烷α-H优先吸附于–OH位点；
  3. 能量循环：DFT计算显示β-H转移释放0.87eV能量，驱动系统自维持反应，光子转化效率达23%。
    对比试验中，表面沉积铜的催化剂效率仅为晶格取代型的1/5，证实原子级混合是性能跃升的关键。

三、从实验室到工厂：三大应用场景落地

  1. 页岩气革命：美国鹰滩页岩气田试点显示，每立方米乙烷可生产0.63kg乙烯，较蒸汽裂解减少89%碳排放；
  2. 太空制造：国际空间站模拟试验中，系统利用太阳光将宇航员呼出乙烷转化为乙烯，氧循环效率达94%；
  3. 分布式生产：耦合LED光源的移动式反应器，可在油气田现场将伴生乙烷直接转化为高纯度乙烯，运输成本降低70%。
    技术经济分析表明，若采用绿电驱动LED光源，乙烯生产成本可降至1.2美元/千克，逼近当前市场价（0.7-1.5美元/千克）。

四、绿色化工的未来挑战

尽管突破显著，该技术仍需攻克两大难关：

  • 光热协同：实验室级反应器光利用效率仅15%，需开发光子晶体增强型反应器提升至30%以上；
  • 规模放大：10升中试装置连续运行100小时后活性下降37%，团队正通过掺杂铈元素构建抗积碳结构。
    孙伟透露，已与中石化合作建设千吨级示范项目，预计2027年实现工业应用，届时单条产线年减碳量相当于种植240万棵树。

结语
当LMCO催化剂在实验室的LED光下闪烁微光，一场静默的化工革命已然开启。这项技术不仅让乙烷转化摆脱了对化石能源的依赖，更重塑了化学合成的底层逻辑——正如论文所述：“SFLPs不仅是活性位点，更是连接光能与化学键的量子桥梁。”在全球碳中和竞赛中，中国科学家再次证明了基础研究的颠覆力量。未来，随着反应器设计与材料优化的持续突破，阳光驱动的绿色化工厂或将遍布世界。

来源: FIE能源前沿期刊