湖北日报全媒记者 田佩雯 通讯员 武柳青

北京时间7月12日，Science（《科学》杂志）在线发表了关于交流电合成化学的最新研究论文，题为“程序化交流电优化铜催化C-H键转化反应”。这项研究破解了何种世界级难题？新技术在未来将开创怎样的可能？7月15日，该论文唯一通讯作者武汉大学高等研究院、化学与分子科学学院教授雷爱文接受湖北日报全媒记者专访，讲述这项研究背后的诞生故事。

阴阳两极间

破解化学的绿色密码

这项研究首创开发了可编程波形交流电（pAC）合成技术，实现了铜催化的放氢气氧化交叉偶联反应。通过对交流电波形的电学参数（频率、电流和占空比）进行程序编辑，可得到定制化交流电信号。不同编辑模式的电信号不仅促进电解条件下铜催化剂循环再生，而且可以实现铜催化剂活性的精准调控。

“如果将直流电理解为二进制，那交流电可能是十进制，非对称交流电则是‘无穷进制’。电化学合成的控制参数从有限控制变成了无限控制，研究面更加广阔。”雷爱文介绍，该团队还开发了原位电子顺磁共振波谱-交流电解联用表征技术，首次观测到不同交流电信号动态调控催化剂活性的规律。基于此项技术，研究团队成功实现了活化烷烃直接碳氢键氧化偶联反应和氧化双官能团化反应，而这两类反应在传统氧化剂条件和直流电氧化条件下均表现出较差的反应性。

据了解，合成电化学新技术是国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）评定的2023年度化学领域十大新兴技术之一。具备绿色、安全和低能耗的特性，可用于解决当前基于化石能源驱动的现行生产力的环境污染问题、安全生产风险和高能耗问题。

雷爱文形象地解释，水通电后可分解为氢气和氧气，这个过程不产生污染，清洁高效。那么通过合成电化学的研究，未来通过阴阳两极，反应过程可实现直接转化，每一个参与反应的分子可被充分利用。清洁的电子将作为绿色的氧化还原剂，零排放、低能耗、无污染，可以避免对有毒氧化剂和还原剂的滥用和依赖，源源不断实现资源的有效利用。

拓荒“无人区”

为绿色化学寻找方向

“这是一项面向‘无人区’的研究。”雷爱文是交流电合成化学领域的拓荒者，他坦言，刚开始研究时没有前者，没有可以对照的坐标，再加上经费有限，一切都要摸着石头过河。

2005年，雷爱文从斯坦福大学回国后，进入武汉大学任教。第一个十年，他在热化学驱动力条件下，寻找廉价的催化剂和氧化剂，探寻绿色氧化偶联反应模式，2015年起，他从光和电中寻找绿色合成反应的答案。雷爱文带领团队将光能和电能输入到化学反应中，实现了吉布斯自由能变化大于0的放氢气氧化交叉偶联反应模式；2016年，由于试图通过正负极快速切换从而实现正负极产生活性物种的相互偶联，在试验中开始用交流电。经过一次次的失败和不断的迭代优化，8年后，不对称交流电解这一全新的绿色合成技术终于问世。

“无论用什么方法，我们的目标始终是为绿色化学寻找方向。”雷爱文说，坚持自主创新，在“无人区”开拓，每一步都要精益求精。这篇文章从提出想法到见刊，经历了严密的试验论证，耗时3年多。“完成投稿后，编辑和审稿人对我们的研究表达出高度的关注和兴趣，仅小修了一次，整个发表过程非常顺利。”团队博士生吕士德说。

“这篇文章更大的意义在于创新了一个生态。”雷爱文介绍，当前，绿色化学正成为全球能源化工行业中实现工业革命和竞争的重要新兴领域。合成电化学已应用于万亿级的氯碱工业、超万亿级的电解铝产业，“交流电合成化学新技术就像是开创了一个全新的操作系统，科学家可以在这个系统下，开发各种应用，用于不同的物质绿色合成，从而满足人们对于绿色制造美好生活的需求。”

“如果能够将合成电化学新技术，以及不对称交流电合成新技术，应用到万吨级的物质制造上，将为发展新质生产力迈出一大步。”对于湖北，雷爱文认为，合成电化学对于湖北化工的绿色化、高端化、智能化具有潜在的重要意义：如果能够把合成电化学新技术应用于磷化工，传统磷化工的路线将被改变，磷石膏将不再作为副产物而形成，“这将根除磷石膏污染问题，把磷化工带入一个全新的绿色、安全、低能耗的产业中。”