7月17日，北京化工大学邵明飞、周华团队与清华大学段昊泓团队合作，针对千瓦级电解水制氢耦合5-羟甲基糠醛电催化氧化制2, 5-呋喃二甲酸放大过程中的关键挑战，创制了一种固态聚合物电解质反应器，通过反应器工程和系统设计抑制法拉第和非法拉第副反应，首次突破了千瓦级反应规模的技术瓶颈。相关成果以“Selective electrooxidation of 5-hydroxymethylfurfural at pilot scale by engineering a solid polymer electrolyte reactor”为题，发表在《Nature Catalysis》上。北京化工大学2022级博士生任悦、2022级硕士生孔尉及2023级博士生李洋为本文的共同第一作者，北京化工大学为第一完成单位。
图-固态聚合物电解质反应器的示意图（a）和实物图（b）；c,千瓦级模块化电化学平台；d,不同数量反应器的5-羟甲基糠醛氧化性能。
塑料是一类重要的聚合物材料，需求逐年递增。研究表明，采用可再生能源驱动并利用可再生的生物质作为塑料单体的原料，是实现塑料生产零排放的一条极具潜力的路径。2, 5-呋喃二甲酸（FDCA）是一类重要的生物质基可再生塑料单体，通过生物质衍生平台分子5-羟甲基糠醛（HMF）电化学氧化法可实现其绿色合成。然而，现有研究局限在实验室规模（<300 W），其放大过程面临巨大挑战：一方面，在流动的液相电解过程中，体相电解液和电极表面之间的物质传递效率较低，易发生析氧副反应，导致法拉第效率低；另一方面，该类反应普遍采用强碱条件（如1 M KOH），含有醛基、羟基的HMF/中间体易发生缩聚等非法拉第副反应，导致产物选择性低。以往研究采用低pH电解质和低HMF浓度缓解HMF非法拉第副反应，但造成电流密度低、FDCA浓度低、生产速率低，难以实现放大生产，由此造成规模化HMF电氧化的技术瓶颈。
研究团队深入分析了反应放大过程中存在的问题和挑战，创制了固态聚合物电解质反应器用于HMF电氧化的规模化放大。系统设计反应器关键部件和反应条件，由此强化对流传质和传热、抑制跨膜渗透和扩散，实现了单模块高功率（654 W）、工业级电流密度（1.5 A cm−2）、高浓度（1.4 M）、连续化HMF电催化氧化制备FDCA，同时耦合阴极制氢；进一步，通过模块化系统集成，构建了首台套千瓦级电化学平台，在1.0 A cm−2电流密度下实现了4.3 kW运行功率，FDCA的生产速率达到1.38 kg h−1（~33 kg/天）。该工作通过反应工程策略和系统设计，为低温水相电解制备生物质衍生塑料单体提供了中试规模的概念验证。
团队率先提出并验证了“电解水制氢耦合氧化”的原创概念，发展了30余个制氢耦合氧化体系，产氢效率提升2−40。以本工作研究内容为基础，进一步完成了中国石油和化学工业联合会的科技成果评价：“10 kW级电解水制氢耦合绿色氧化制2, 5-呋喃二甲酸技术”。成果评价主要成果包括：创制关键材料和强化传质传热的反应器，自主设计建成了首台套20 kW电解水制氢耦合氧化反应装置，FDCA最大产能可达56吨/年，氢气最大产能可达27240 Nm3/年，远超国内外相关报道。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41929-025-01374-x
邵明飞教授介绍
北京化工大学教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者（2019）。研究方向为面向能源存储与转化的反应耦合与过程强化，包括电解水制氢耦合氧化、电解水制活性氢原位存储/耦合加氢等，及其关键催化剂与电极设计、新型反应器与系统集成等。以第一或通讯（含共同通讯）作者在Nat. Catal.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、AIChE J.等发表论文120余篇；论文被引16000余次，H因子68。国家优秀青年基金获得者（2019），先后主持了国家自然科学基金重大项目课题、重点专项项目和国家重点研发计划课题和中石油、中石化企业委托项目等。获“中国催化新秀奖”，入选美国斯坦福大学发布的2024年全球前2%顶尖科学家榜单的“终身科学影响力榜单”和“2024年年度影响力榜单”。围绕千瓦级电解水制氢耦合氧化技术完成了中国化工学会成果鉴定和中国石油和化学工业联合会成果评价各1项。
周华副教授介绍
北京化工大学副教授，主要从事废弃碳资源（生物质、塑料、二氧化碳）催化转化研究，研究方向：1、电催化机理研究；2、电化学反应器设计和工艺放大；3、生物、电、热催化耦合。以第一/通讯（含共同）作者在Nat. Catal.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.等期刊上发表论文20余篇。
主要完成学生介绍
任悦，北京化工大学2022级博士研究生，2022年于北京化工大学获得硕士学位。主要研究方向为废弃碳资源电催化转化和反应器设计及放大，目前以第一作者（含共一）在Nature Catalysis、Nature Communications等期刊发表论文5篇，申请国家发明专利5项、实用新型专利5项、国际专利2项，曾获北京化工大学研究生优秀毕业生、北京化工大学优秀硕士学位论文等荣誉。
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