北京化工大学/清华大学，Nature Catalysis！

米测MeLab

2025-07-21

研究背景

水系电解为将生物质衍生物转化为塑料单体提供了一种可持续的潜在路径，例如通过电氧化将5-羟甲基糠醛（HMF）转化为2,5-呋喃二甲酸（FDCA）。然而，在千瓦级功率和安培级电流密度下，实现高浓度FDCA的选择性电合成仍是一项尚未解决的挑战，制约了其商业化进程。

为此，北京化工大学邵明飞（国家自然科学基金优秀青年基金获得者）、周华团队以及清华大学段昊泓团队在“Nature Catalysis”期刊上发表了题为“Selective electrooxidation of 5-hydroxymethylfurfural at pilot scale by engineering a solid polymer electrolyte reactor”的最新论文。本研究提出了一种工程化的固体高分子电解质（SPE）反应器，能够调控法拉第副反应和非法拉第副反应，从而在工业相关的电流密度（1.5 A cm⁻²）下实现FDCA的合成，并保持较高的选择性（97.0%）、法拉第效率（88.2%）和产物浓度（约1.24 M）。

该SPE反应器在0.5 A cm⁻²的条件下连续运行超过140小时，展现出良好的稳定性。此外，研究团队采用模块化扩展策略，构建了一个4.3 kW的电化学平台，实现了33 kg/天的FDCA试点规模产率。该成果展示了通过反应器工程，可实现可持续化学品在电化学过程中选择性和规模化生产的能力。

研究亮点

（1）实验首次构建了基于固体高分子电解质（SPE）结构的电解反应器系统，实现了高浓度2,5-呋喃二甲酸（FDCA）的电合成。该系统在工业相关电流密度（1.5 A cm⁻²）下实现了FDCA的高选择性（97.0%）、高法拉第效率（88.2%）和高产物浓度（约1.24 M），并且能够在0.5 A cm⁻²下连续稳定运行140小时。

（2）实验通过系统设计SPE反应器结构与运行条件，有效克服了液相电解放大过程中的传质限制和副反应问题，取得以下结果：

• 采用催化剂涂覆膜（CCM）、优化的多孔传输层（PTL）和阳极流道设计，增强了阳极表面的对流传质效率；

• 引入冷却腔有效调控电解温度，抑制了HMF在高浓度条件下的非法拉第副反应；

• 利用单程进料、无液体阴极液等操作策略，显著提升了系统稳定性与选择性；

• 构建了4.3 kW的模块化电解平台，通过8个SPE反应器并联，成功将FDCA的试点产率提升至33 kg/天，电流总量达1600 A，验证了技术的放大潜力；

图文解读

图1 | HMF电氧化为FDCA的背景、展示与挑战。

图2 | SPE反应器的设计与性能。

图3 | 优化SPE反应器关键组件以提升HMFOR性能。

图4 | 操作条件对SPE反应器HMFOR性能的影响。

图5 | 千瓦级FDCA生产及其在生物塑料制造中的应用。

总结展望

本研究展示了一种工程化的固体高分子电解质（SPE）反应器以及模块化电化学平台，成功实现了在千瓦级功率（4.3 kW）和安培级电流密度（1.0 A cm⁻²）条件下对高浓度5-羟甲基糠醛（HMF）进行选择性电氧化，生成2,5-呋喃二甲酸（FDCA）。该成果标志着从生物质出发实现可持续塑料单体电合成向规模化迈出了重要一步。该反应器在放大电解过程中起到了关键作用：通过增强传质抑制法拉第氧析出反应，缓解非法拉第的HMF缩合副反应，并减少阴阳极之间分子交叉扩散带来的副反应。

他们建议，未来针对HMF电氧化反应（HMFOR）的研究应聚焦于提升可扩展性、运行稳定性与经济可行性。可以通过开发更大尺寸工作区和更多串并联模块的连续流动电化学系统，实现更大规模的反应；同时，推动包括原料供给、电解反应、产物分离及相关辅助单元在内的系统集成化。引入人工智能辅助的自动化控制系统（包括电极制备、系统监控与控制、过程自优化）也将加快HMFOR的工业化进程。

在材料方面，电催化剂/电极及离子交换膜的改进将进一步提高电解反应的稳定性和能效；而在工艺方面，对电解参数的进一步优化有助于降低设备投资和运行成本。此外，提升上游HMF合成技术，特别是利用廉价原料制得的粗HMF作为电解原料，有望显著降低材料成本，从而降低整个FDCA电合成过程的成本。优化分离提纯技术也将有助于获得可用于高性能聚合物制造的聚合级FDCA，并实现电解液的回收再利用，从而进一步降低材料消耗。

原文详情：

Ren, Y., Kong, W., Li, Y. et al. Selective electrooxidation of 5-hydroxymethylfurfural at pilot scale by engineering a solid polymer electrolyte reactor. Nat Catal (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41929-025-01374-x