帕迪克超快高温炉在酯化反应中的应用

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中国科学院合肥固体物理所尹华杰研究团队提出了一种创新的焦耳热界面催化（JIC）系统，通过电气化酯化途径显著提高了反应效率和产率

来源: | 作者:苏州开瑞仪器有限公司 | 发布时间: 97天前 | 49 次浏览 | 分享到:

中国科学院合肥物质科学研究院固体物理所尹华杰研究团队开发了一种焦耳热界面催化（JIC）系统，通过电气化酯化途径显著提高了酯化反应的效率和产率。该系统利用碳毡作为电热源和亲水性磺酸官能化共价有机框架作为界面催化剂，实现了乙酸转化率高达80.5%，超出理论平衡极限。JIC系统通过局部加热减少能耗，提高反应选择性和效率，具有工业化应用潜力，符合绿色化学要求。研究还通过多种表征手段分析了催化剂的形貌、结构和化学组成，证实了COF-SO3H成功生长在碳毡上，并具有均匀多孔结构和丰富的磺酸官能团，有助于提高催化活性和反应效率。此外，JIC系统的机理研究表明，COF-SO3H中的-SO3H基团与EtOH中的-OH基团之间的强相互作用减少了EtOH的蒸发，提升了酯化反应效率。这项研究为催化科学和反应工程领域提供了重要的理论和实践参考。

酯化反应在化工、香料和制药等行业中至关重要，但其可逆性和低反应活性常导致产率受限。传统方法需要高温和长时间反应，能耗高且效率低。中国科学院合肥物质科学研究院固体物理所尹华杰研究团队提出了一种创新的焦耳热界面催化（JIC）系统，通过电气化酯化途径显著提高了反应效率和产率。

研究方法

研究团队设计了一种JIC系统，其中：

碳毡（CF）：作为电热源，提供局部加热。
亲水性磺酸官能化共价有机框架（COF-SO3H@CF）：作为界面催化剂，生长在碳毡上。

实验条件

反应条件：加热功率密度：0.49 W cm−3；焦耳加热界面催化（JIC）系统
反应物：乙酸（AcOH）和乙醇（EtOH），反应物摩尔比为1:1

实验结果

转化率：乙酸的转化率达到80.5%，是理论平衡极限（62.5%）的1.29倍。
热效率：电热源与COF-SO3H催化剂的紧密接触实现了高效、局部的焦耳加热，最大限度地减少了热损失。
反应控制：精确控制反应界面，提高了反应的选择性和效率。

综合分析

高效加热：焦耳热界面催化系统通过局部加热显著提高了反应速率和转化率。
节能：局部加热减少了整体能耗，符合绿色化学的要求。
精确控制：通过调节电流和电压，实现了对反应条件的精确控制，提高了反应的选择性和产率。

应用前景

工业化应用：适用于大规模化工生产，降低能耗和成本。
绿色化学：减少废物和副产物，符合可持续发展要求。
多功能反应器：可应用于其他需要高温催化的反应，拓展了应用范围。

图1. a) 传统体相加热（CBH）系统，b) 用于电气化酯化反应的焦耳加热界面催化（JIC）系统。

图文解析

图2 COF-SO3H@CF催化剂的制备工艺示意图

图3 通过多种表征手段，研究团队全面分析了COF-SO3H@CF催化剂的形貌、结构和化学组成。结果表明，COF-SO3H成功生长在碳毡上，并具有均匀的多孔结构和丰富的磺酸官能团，这些特性有助于提高催化活性和反应效率。

图4. 以COF-SO₃H@CF为催化剂的JIC系统的电热特性及模拟研究。a) 温度-功率密度关系，b) JIC系统温度响应，c) JIC系统加热过程红外热像图，d-e) JIC系统三维模型，x表示石墨纸电极与COF-SO₃H@CF的接触高度，f) 不同接触高度下COF-SO₃H@CF的最高表面温度和体相溶液温度，g) JIC系统温度场三维模拟图像。

图5. 电气化酯化反应性能评估。a) 在不同催化剂上AcOH的转化率，反应条件：0.1 mol AcOH, 0.1 mol EtOH, T = 355 K，反应时间= 6 h，b) 不同反应温度，c) 不同催化剂负载量，d) 不同反应物摩尔比，e) JIC系统在不同反应物摩尔比下的能耗（kg_EA），f) 与所报道的催化剂进行AcOH转化率和TOF值的比较，g) COF-SO₃H@CF在JIC系统中进行了5次稳定性测试，h) JIC系统中不同反应物的转化率。

从图5中可以看出，使用COF-SO3H@CF作为催化剂时，乙酸的转化效率达到了80.5%，显著高于理论平衡转化率（62.5%）和浓硫酸催化的转化率（68.9%）。这表明COF-SO3H催化剂在提升催化性能方面具有显著优势。通过增加反应物摩尔比，特别是当乙醇与乙酸的摩尔比超过3:1时，乙酸的平衡转化率可以超过96%。此外，COF-SO3H@CF催化剂在JIC系统中大幅降低了酯化反应的能耗，并且在应用于不同反应物的酯化反应时也表现出良好的性能。这些结果进一步证明了COF-SO3H@CF催化剂在酯化反应中的高效性和广泛适用性。

图6. JIC系统的机理研究。在a) 320 K和b) 350 K时，不同系统中EtOH和EA的质量变化（红色代表EA，蓝色代表EtOH），c) 在320或350 K下，两种系统中EtOH和EA的蒸发速率，d) EtOH 和 e) EA 在 COF-SO₃H上的最优结构，f) JIC系统中产生的蒸汽的 GC 色谱图。

图6表明，COF-SO3H中的-SO3H基团与EtOH中的-OH基团之间的强相互作用不仅减少了EtOH的蒸发，还通过维持反应物浓度和促进产物解离，显著提升了酯化反应的效率。

总结

本文通过水热法成功制备了具有丰富酸性位点的COF-SO3H@CF催化剂，并将其应用于电气化酯化反应的JIC（焦耳加热催化）系统中，取得了高转化率和高能效的显著成果。采用简单的水热法制备了COF-SO3H@CF催化剂，该催化剂具有丰富的酸性位点（-SO3H基团），为酯化反应提供了高效的催化活性中心。将COF-SO3H@CF催化剂应用于JIC系统，利用焦耳加热效应实现高效酯化反应。在加热功率密度为0.49 W cm⁻³的条件下，无需额外试剂，乙酸的转化率高达80.5%，突破了传统酯化反应的化学平衡极限。通过有限元模拟、蒸发速率实验、原位ATR-SEIRAS光谱和DFT计算等手段，揭示了催化界面的焦耳加热效应在反应中的关键作用。焦耳加热促进了产物的快速蒸发，使得催化剂位点周围的反应物浓度维持在较高水平，而产物浓度处于较低水平，从而推动酯化反应正向进行。本文通过创新的催化剂设计和电气化策略，成功实现了酯化反应的高效、低能耗转化，为催化科学和反应工程领域提供了重要的理论和实践参考。

本文作者

尹华杰

职称：博导，研究员，国家优秀青年（海外）

部门：纳米材料与器件技术研究部

电话：0551-65591525

邮箱：yinhj@issp.ac.cn

地址：安徽省合肥市蜀山湖路350号固体物理研究所

2015年博士毕业于国家纳米科学中心和清华大学。2015年至2020年于澳大利亚格里菲斯大学进行博士后研究，2021年2月加入中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所。

研究工作围绕清洁能源的高效转化与利用，以新兴电化学能源器件需求为导向，聚焦于高性能电催化剂和电极材料设计、制备与相应催化机制研究。同时涉及基于钙钛矿体系的光催化、光电催化等研究领域。已发表高质量论文50余篇，第一作者与通讯作者文章共24篇，包括Chem. Soc. Rev.，Nat. Energy，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，ACS Nano等，其中封面文章6篇，高被引文章11篇。被引用6700余次，h因子为28。作为主要申请人获得澳大利亚基金委（Australian Research Council）创新项目（Discovery Project）两项（2016年、2020年）；担任澳大利亚基金委各类项目评审人和二十余种期刊审稿人。

赵惠军

1978年考入东北工学院基础部化学师资班。1982年留校做助教，1984-1986年攻读在职硕士研究生，师从张寿松老师，1986年获得硕士学位。1987年提职为讲师。1988年赴澳大利亚伍伦贡（Wollongong）大学做访问学者，1991-1993年在伍伦贡大学化学系读博士，师从Gordon Wallace 教授，1994年获得博士学位。而后在伍伦贡大学智能高分子材料研究院、西悉尼大学化学系做研究员。1997年到格里菲斯大学（Griffith University ）工作，先后任讲师、高级讲师、副教授，2005年任教授。

赵惠军现任澳大利亚格里菲斯大学催化与清洁能源中心主任，英国皇家化学会会士和澳大利亚皇家化学会会士。他的研究兴趣主要集中在能源和环境纳米材料、水源控制与管理、野外传感器技术和水环境质量评估方向，近期主要研究方向之一为探索多种非贵金属材料活化的新方法，设计并实现利用非贵金属作为新一代高活性催化剂的可行方案。赵惠军教授自2018年起是科睿唯安高被引学者，目前发表论文500余篇，被国内外同行在SCI论文上引用40,000余次，h-index 103，在功能性纳米材料和纳米技术、光电催化和环境监测系统等领域获得68项国际专利，并全部产业化。