近日，中國科學院金屬研究所的研究團隊在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》發表了一項突破性成果：通過將鈦硅分子篩TS-1涂覆于碳化硅（SiC）泡沫載體，成功開發出一種高效結構化催化劑（TS-1-Structured）。該催化劑在苯酚羥基化反應中展現出遠超傳統擠出型催化劑（TS-1-Extruded）的性能，苯酚轉化率提升超100%，產物氫醌選擇性突破50%。這一技術不僅解決了傳統漿態床反應器中催化劑分離困難、間歇生產效率低的痛點，更為化工行業實現連續化、安全化生產提供了新思路。

傳統工藝痛點：催化劑“易流失”，生產效率受限
苯酚羥基化是生產鄰苯二酚和對苯二酚（統稱二羥基苯）的關鍵反應。二羥基苯廣泛應用于醫藥、農藥、食品等領域，但傳統工業生產依賴電解苯或環己二醇脫氫等工藝，存在高能耗、高污染問題。1986年，鈦硅分子篩TS-1的問世革新了這一領域，其以過氧化氫（H?O?）為氧化劑，可在溫和條件下催化苯酚羥基化，成為主流工藝。然而，粉末狀TS-1在漿態床中易被液體夾帶流失，需頻繁停機回收催化劑，導致生產效率低下。

為解決這一問題，工業界嘗試將TS-1與黏結劑混合后擠出成型，用于固定床反應器。但傳統擠出型催化劑顆粒大、傳質阻力高，活性位點利用率不足，且機械強度低易破碎。如何設計兼具高效催化與穩定結構的TS-1催化劑，成為行業難題。

結構化催化劑：薄涂層+多孔載體，突破傳質瓶頸
研究團隊創新性地采用“浸漬涂覆法”，將TS-1分子篩均勻負載于多孔SiC泡沫表面，形成厚度僅微米級的活性涂層（圖1）。這種結構化設計帶來多重優勢：

超短擴散距離：TS-1涂層厚度僅為微米級，顯著縮短反應物擴散路徑，活性位點利用率提升6.71倍。
三維貫通孔隙：SiC泡沫的宏觀孔道（孔徑約1毫米）大幅增加固液接觸面積，消除徑向擴散限制。
高效傳熱：SiC泡沫的高導熱性（是金屬的2倍）可快速導出反應熱，避免局部過熱導致催化劑失活。
實驗顯示，在相同空速下，結構化催化劑的苯酚轉化率最高達25%，是擠出型催化劑（5%）的5倍（圖2）。產物中高附加值的氫醌選擇性穩定超過50%，而傳統催化劑不足50%。研究團隊解釋：“氫醌主要在分子篩孔道內生成。結構化催化劑的薄涂層縮短了擴散距離，使氫醌更易形成，同時減少副產物苯醌的生成。”

動力學揭秘：活性提升7.7倍，反應機理明確
為量化結構化催化劑的性能優勢，團隊對比了兩類催化劑的動力學參數。結果顯示：

有效內擴散因子比：結構化催化劑的內擴散效率是擠出型的7.71倍。
反應活化能：20.54 kJ·mol?1，表明反應更易進行。
反應級數：對苯酚和H?O?分別為1.12級和1.088級，符合Eley-Rideal（E-R）表面反應機理（圖7）。
“這意味著H?O?優先吸附于催化劑活性位點，隨后與游離的苯酚反應，而非兩者同時吸附。”論文通訊作者焦毅力研究員解釋，“結構化設計使反應物更快接近活性中心，動力學優勢顯著。”

工業前景：從實驗室到生產線，推動綠色化工升級
該研究的另一亮點在于解決了固定床反應器的溫度控制難題。實驗表明，結構化催化劑填充的床層溫度分布均勻（全程低于81℃），而擠出型催化劑因傳熱效率低，床層中部溫度驟升，存在安全隱患（圖8）。此外，結構化催化劑床層壓降低，可支持更快的液體流速，進一步提升產能。

研究團隊表示，該技術已通過中試驗證，下一步將結合計算流體力學（CFD）模擬優化反應器設計，推動工業化應用。“結構化催化劑不僅適用于苯酚羥基化，還可拓展至烯烴環氧化、酮類氨氧化等更多TS-1催化體系，為化工生產連續化、綠色化提供通用解決方案。”論文第一作者孫彥昭博士補充道。

結語
從“粉末易流失”到“結構穩如磐石”，從“間歇低效”到“連續高產”，碳化硅泡沫支撐的TS-1結構化催化劑展現了化工材料設計的強大潛力。這項研究不僅為二羥基苯的高效合成開辟了新路徑，更標志著我國在結構化催化劑領域邁入國際前沿。未來，隨著此類技術的推廣應用，化工行業有望在降本增效與低碳轉型中實現雙贏。

來源: 化學工程前沿FCSE