近日，中国科学院金属研究所的研究团队在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》发表了一项突破性成果：通过将钛硅分子筛TS-1涂覆于碳化硅（SiC）泡沫载体，成功开发出一种高效结构化催化剂（TS-1-Structured）。该催化剂在苯酚羟基化反应中展现出远超传统挤出型催化剂（TS-1-Extruded）的性能，苯酚转化率提升超100%，产物氢醌选择性突破50%。这一技术不仅解决了传统浆态床反应器中催化剂分离困难、间歇生产效率低的痛点，更为化工行业实现连续化、安全化生产提供了新思路。

传统工艺痛点：催化剂“易流失”，生产效率受限
苯酚羟基化是生产邻苯二酚和对苯二酚（统称二羟基苯）的关键反应。二羟基苯广泛应用于医药、农药、食品等领域，但传统工业生产依赖电解苯或环己二醇脱氢等工艺，存在高能耗、高污染问题。1986年，钛硅分子筛TS-1的问世革新了这一领域，其以过氧化氢（H₂O₂）为氧化剂，可在温和条件下催化苯酚羟基化，成为主流工艺。然而，粉末状TS-1在浆态床中易被液体夹带流失，需频繁停机回收催化剂，导致生产效率低下。

为解决这一问题，工业界尝试将TS-1与黏结剂混合后挤出成型，用于固定床反应器。但传统挤出型催化剂颗粒大、传质阻力高，活性位点利用率不足，且机械强度低易破碎。如何设计兼具高效催化与稳定结构的TS-1催化剂，成为行业难题。

结构化催化剂：薄涂层+多孔载体，突破传质瓶颈
研究团队创新性地采用“浸渍涂覆法”，将TS-1分子筛均匀负载于多孔SiC泡沫表面，形成厚度仅微米级的活性涂层（图1）。这种结构化设计带来多重优势：

超短扩散距离：TS-1涂层厚度仅为微米级，显著缩短反应物扩散路径，活性位点利用率提升6.71倍。
三维贯通孔隙：SiC泡沫的宏观孔道（孔径约1毫米）大幅增加固液接触面积，消除径向扩散限制。
高效传热：SiC泡沫的高导热性（是金属的2倍）可快速导出反应热，避免局部过热导致催化剂失活。
实验显示，在相同空速下，结构化催化剂的苯酚转化率最高达25%，是挤出型催化剂（5%）的5倍（图2）。产物中高附加值的氢醌选择性稳定超过50%，而传统催化剂不足50%。研究团队解释：“氢醌主要在分子筛孔道内生成。结构化催化剂的薄涂层缩短了扩散距离，使氢醌更易形成，同时减少副产物苯醌的生成。”

动力学揭秘：活性提升7.7倍，反应机理明确
为量化结构化催化剂的性能优势，团队对比了两类催化剂的动力学参数。结果显示：

有效内扩散因子比：结构化催化剂的内扩散效率是挤出型的7.71倍。
反应活化能：20.54 kJ·mol⁻¹，表明反应更易进行。
反应级数：对苯酚和H₂O₂分别为1.12级和1.088级，符合Eley-Rideal（E-R）表面反应机理（图7）。
“这意味着H₂O₂优先吸附于催化剂活性位点，随后与游离的苯酚反应，而非两者同时吸附。”论文通讯作者焦毅力研究员解释，“结构化设计使反应物更快接近活性中心，动力学优势显著。”

工业前景：从实验室到生产线，推动绿色化工升级
该研究的另一亮点在于解决了固定床反应器的温度控制难题。实验表明，结构化催化剂填充的床层温度分布均匀（全程低于81℃），而挤出型催化剂因传热效率低，床层中部温度骤升，存在安全隐患（图8）。此外，结构化催化剂床层压降低，可支持更快的液体流速，进一步提升产能。

研究团队表示，该技术已通过中试验证，下一步将结合计算流体力学（CFD）模拟优化反应器设计，推动工业化应用。“结构化催化剂不仅适用于苯酚羟基化，还可拓展至烯烃环氧化、酮类氨氧化等更多TS-1催化体系，为化工生产连续化、绿色化提供通用解决方案。”论文第一作者孙彦昭博士补充道。

结语
从“粉末易流失”到“结构稳如磐石”，从“间歇低效”到“连续高产”，碳化硅泡沫支撑的TS-1结构化催化剂展现了化工材料设计的强大潜力。这项研究不仅为二羟基苯的高效合成开辟了新路径，更标志着我国在结构化催化剂领域迈入国际前沿。未来，随着此类技术的推广应用，化工行业有望在降本增效与低碳转型中实现双赢。

来源: 化学工程前沿FCSE