在化工生产中，一种名为“苯酚羟基化”的反应看似不起眼，却关系到医药、染料、香料等上千种日常用品的原料供应。然而，传统生产中催化剂“易流失、难回收”的问题长期困扰行业——要么像细沙一样被液体带走，要么像堵在路上的汽车难以发挥作用。近日，我国科研团队在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》期刊发表研究，通过一种“SiC泡沫负载TS-1结构化催化剂”，让苯酚转化率提升至25%以上，为解决这一难题提供了新方案。

传统催化剂的“老大难”：要么跑丢，要么“堵车”
苯酚羟基化反应的产物邻苯二酚、对苯二酚，是制造维生素、抗氧化剂的关键原料。过去，工厂常用两种催化剂：一种是TS-1粉末催化剂，像极了“细沙”，虽然活性高，但在反应釜中容易被液流夹带流失，回收成本占生产成本的15%以上；另一种是挤出成型的TS-1催化剂，颗粒大如“小石子”，反应物需要“翻山越岭”才能到达催化剂表面，导致转化率不足13%，还常因受力不均碎裂。

“就像用网兜捞沙子，要么漏掉，要么堵在网眼里。”研究团队形象比喻传统工艺的困境。为打破僵局，他们将目光投向了SiC泡沫——这种材料拥有三维连通的“蜂窝状”结构，导热性堪比金属，机械强度能承受高压反应环境，堪称催化剂的“理想载体”。

给催化剂搭“高速公路”：SiC泡沫让反应效率“起飞”
研究人员采用“浸涂法”，将TS-1催化剂均匀涂覆在SiC泡沫表面，形成一层微米级的“活性涂层”。这种结构化催化剂（TS-1-Structured）就像给反应物铺了“高速公路”：SiC泡沫的多孔结构缩短了反应物扩散距离，高导热性避免局部过热，而涂层牢牢固定催化剂，解决了“跑丢”问题。

实验数据显示，与传统挤出型催化剂（TS-1-Extruded）相比，新催化剂的苯酚转化率从12.29%跃升至25%以上，对苯二酚选择性突破50%。更关键的是，其“有效内扩散因子”达到挤出型的7.71倍——这意味着反应物在催化剂内部的扩散效率提升近8倍，好比原本需要1小时通过的“隧道”，现在10分钟就能畅通无阻。

从实验室到工厂：动力学研究为工业化铺路
为验证新催化剂的工业价值，团队深入分析了反应动力学。结果显示，在相同温度和浓度条件下，结构化催化剂的初始反应速率是挤出型的7倍以上。通过对比不同温度、反应物浓度对反应的影响，他们推导出反应速率方程，证实其遵循“E-R吸附机制”——即反应物在催化剂表面“精准停靠”后发生反应，而非无序碰撞。

“这就像给工厂提供了‘操作手册’。”研究人员指出，动力学数据可直接用于固定床反应器设计，帮助企业计算最佳反应温度、进料速度，从而降低能耗。目前，该催化剂已在实验室规模的连续流反应中稳定运行500小时，展现出工业化潜力。

化工生产的“绿色升级”：效率与环保双赢
传统间歇式生产中，每批反应需停机分离催化剂，而结构化催化剂可直接用于连续流反应，生产效率提升3倍以上。同时，SiC泡沫的高机械强度减少了催化剂损耗，按年产1万吨对苯二酚计算，每年可减少固废排放约200吨。

不过，研究也指出，该技术目前仍面临涂层长期稳定性的挑战——在高速液流冲刷下，涂层可能逐渐脱落。团队下一步计划通过优化涂层配方和制备工艺，进一步延长催化剂寿命。

从实验室的微米级涂层，到工厂的万吨级生产，这项研究不仅为苯酚羟基化反应提供了高效解决方案，更为化工行业“提质降本减耗”开辟了新路径。正如论文通讯作者所言：“催化剂虽小，却是化工生产的‘心脏’。让这颗‘心脏’更强健、更持久，正是我们的目标。”

来源: 化学工程前沿FCSE