螺旋流动反应器中TiO2-锆珠复合光催化剂连续氢化硝基苯制备氨基苯的创新研究

为解决传统光催化悬浮体系需混合与分离的难题，研究人员开发了一种新型螺旋流动反应器，通过将填充TiO2-锆珠复合物（TiO2-ZB）的PFA管缠绕于荧光灯周围，实现了硝基苯（NB）连续高效还原为苯胺（AN）。该研究优化了锆珠尺寸、流速等参数，在温和条件下实现多种含可还原基团硝基苯的高产率化学选择性转化，为连续光催化生产提供了新范式。

　　

光催化技术因其绿色环保特性在有机合成领域备受关注，但传统悬浮反应体系存在催化剂分离困难、光能利用率低等瓶颈。二氧化钛(TiO₂)虽因成本低、无毒且活性良好成为明星催化剂，其液相反应仍依赖间歇式操作。如何实现连续化生产，同时解决光传输与催化剂固定化问题，成为制约工业应用的关键。

日本研究人员创新性地设计了一种螺旋流动反应器系统。该装置将内填TiO₂-锆珠(TiO₂-ZB)复合物的细长全氟烷氧基烷烃(PFA)管螺旋缠绕于黑光灯表面，巧妙利用荧光灯的同心发光特性，使TiO₂获得最大光强激活。通过系统考察锆珠尺寸、管长及流速等参数，发现采用直径0.3 mm锆珠时，单位体积TiO₂负载量达最大，接触时间延长至4.8分钟，硝基苯转化率显著提升。在优化条件下（30 mM NB，流速30 mL h^?1），反应器可连续运行且保持稳定活性，对含卤素、羰基等敏感基团的硝基苯衍生物均能实现化学选择性还原，苯胺类产物收率高达90%以上。

关键技术包括：1）TiO₂-锆珠复合物制备（MT-150A型TiO₂与锆珠复合）；2）螺旋反应器设计（PFA管缠绕荧光灯）；3）流动化学参数优化（接触时间、光强分布控制）。

材料与方法
采用MT-150A型金红石相TiO₂（量子效率84%），与不同粒径锆珠（0.3-1.0 mm）复合形成TiO₂-ZB。反应器采用内径2 mm、长度1210 mm的PFA管，螺旋缠绕于20W黑光灯（λ_max=352 nm）表面。

锆珠尺寸效应
0.3 mm锆珠使TiO₂负载量提升至1.13 g，溶液接触时间达4.8分钟，较1.0 mm锆珠效率提高3倍。小粒径锆珠增加催化剂比表面积，同时减少流体沟流现象。

反应器性能
在优化条件下，氯代硝基苯（4-Cl-NB）还原为4-氯苯胺的选择性达98%，证实反应器对敏感官能团的兼容性。延长管长至2.5米可使AN产率提升至95%，证明螺旋设计能突破传统反应器长度受限于光源尺寸的约束。

结论与意义
该研究通过独创的螺旋反应器设计，首次实现荧光灯全向发光特性与流动化学的协同优化。相比固定床反应器，该装置光能利用率提升40%，且避免催化剂流失问题。研究成果发表于《Applied Catalysis A: General》，为连续化光催化生产高附加值精细化学品提供了可放大的解决方案，特别适用于含敏感官能团化合物的选择性还原，在制药中间体合成等领域具有重要应用前景。作者Kominami Hiroshi团队指出，该技术未来可通过集成UV-LED光源进一步优化能效。