从微流控筛选到预中试放大：TEMPO介导的糠醛电氧化制糠酸

《ChemElectroChem》：From Microfluidic Screening to Pre-Pilot-Scale: TEMPO-Mediated Electrooxidation of Furfural to Furoic Acid

　　

本研究展示了TEMPO介导的糠醛电氧化制糠酸的逐步开发与放大，该路线具有生物基属性，所产糠酸是一种工业相关性日益增长的特种化学品。在微流控电化学流动池中的初步筛选表明，在碱性条件下，acetamido-TEMPO是石墨毡上选择性氧化糠醛的有效介体，能够在相对较低的阳极电位下实现高糠酸选择性，同时通过适当控制电池电位和底物供给来限制过氧化。随后的实验室规模分批循环实验证实了介体性能稳定、每程选择性接近完全，法拉第效率（Faradaic efficiency, FE）通常高于75%–90%。向台式规模电池的转化进一步验证了该工艺的稳健性，在闭合质量平衡、接近完全选择性和连续底物及碱投加条件下稳定运行，生产了约50 g糠酸。进一步放大至五电池堆结构，证明了预中试运行的成功。电池架构和流通式电极设计的改进降低了欧姆损耗并增强了电极利用率，使得电解液中能够生产约450 g糠酸，浓度高达1.9 M。这些结果凸显了放大过程中电池架构、流动分布、pH控制和离子传输的重要性，同时证明了介导电化学合成用于可持续糠酸生产的实际潜力。

糠酸（furoic acid）是一种广泛应用于食品防腐、香料、医药、农化及聚合物添加剂的特种化学品，2024年全球产量超过18,000吨，且需求持续增长（2026–2035年复合年增长率CAGR为12.6%）。目前工业上主要依赖糠醛的坎尼扎罗（Cannizzaro）歧化反应生产，理论收率最高仅50%，并等摩尔副产糠醇，导致下游分离纯化成本高昂；化学催化氧化虽可提高收率，但存在催化剂稳定性差、难以大规模实施等瓶颈。电化学合成可在温和条件下实现选择性氧化，但从小型筛选到工业级放大仍面临体积生产率、长期运行稳定性、能量效率等挑战。为此，研究人员设计了从微流控筛选到预中试的逐步放大策略，系统验证了TEMPO介导糠醛电氧化制糠酸的技术可行性。

研究人员首先在微流控电化学流动池中筛选出acetamido-TEMPO作为高效氧化还原介体，在石墨毡电极和碱性条件下实现高选择性糠酸合成；随后依次在实验室规模（10 cm²）、台式规模（200 cm²）和五电池堆预中试（总活性面积1000 cm²）中验证了工艺的稳健性，最终生产约450 g糠酸，浓度达1.9 M，收率95%，碳平衡约98%，法拉第效率接近100%。研究证实了介导电化学合成从筛选走向预中试的可行性，并为后续进一步放大提供了关键工程参数。

关键技术方法方面，研究人员采用微流控电化学流动池（活性面积约2.5 cm²）进行单程连续筛选，以石墨毡为阳极、铂钛电极为阴极、Ag/AgCl为参比电极，考察电位、流速和pH的影响；实验室及台式规模采用批量循环模式，阳离子交换膜（CEM）分隔阴阳极，恒电位操作，并通过外部储液罐投加糠醛和KOH以维持底物浓度和pH；预中试采用五电池串联堆，改进流通式电极设计和电极压缩降低欧姆损耗。产物浓度通过高效液相色谱（HPLC，配备示差折光检测器RI和二极管阵列检测器DAD）定量，进而计算转化率、选择性、周转频率（TOF）和法拉第效率（FE）。

### 2.1 微流控电化学流动池中的反应筛选

通过单程连续实验确定了反应操作窗口：糠醛氧化起始电位在1.5–2.0 V（电池电压），在高于2 V时糠醛完全转化，糠酸选择性达80%–90%；提高进料流速可抑制过氧化、改善碳平衡，因此确定应以高流速、低单程转化率为优先，后续采用批次循环模式实现完全转化。

### 2.2 实验室规模制备性糠醛电解

在10 cm²电池中，恒定电位3.2 V下的糠酸生成速率（3.4 mmol h^?1）是2.6 V（1.3 mmol h^?1）的两倍以上；主动pH控制可显著提升速率至约5 mmol h^?1，且稳态法拉第效率接近100%，而pH从11升至12并无明显额外增益，表明维持稳定pH比提高碱度更重要。

### 2.3 台式规模制备性糠醛电解

在200 cm²电池中，通过连续投加糠醛和KOH实现稳定运行，生产约50 g糠酸，选择性近于完全，法拉第效率在稳态下接近100%；但周转频率（约35 h^?1）低于实验室规模，主要归因于流动分布导致部分流经（flow-by）而非完全流通（flow-through）模式，凸显了电池架构对放大性能的关键影响。

### 2.4 预中试规模五电池堆糠醛电解

将五电池串联（总活性面积1000 cm²）并改进电极压缩和流场设计，使整体电压降低数百毫伏。在2.8 V/电池下运行，电流密度从30逐渐升至60 mA cm^?2，糠酸浓度最高达1.9 M，残留糠醛仅约2 mM，总产量449.3 g，收率95%，碳平衡约98%，法拉第效率接近100%。通过酸化冷结晶回收，回收效率超过92%，展示了高浓度产物直接用于下游分离的优越性。

### 2.5 放大评估与展望

放大过程中识别出五个关键改进方向：操作条件与电解质管理（短接触时间与高电位平衡、主动pH控制）、介体优化（低温稳定性与成本）、电池与堆设计（均匀流场、低欧姆损失、防泄漏）、自动化与过程控制（实时监测、自动投加、温度控制）、以及配对电解（在阴极同时合成高值产物）。这些措施将为下一步向中试和工业化推进提供依据。

总结讨论部分指出，从微流控到预中试的逐级放大证实了该工艺在不同规模下均能保持高选择性和高法拉第效率，但堆运行中出现了电池间电压不均匀、流动分配差异等问题，强调未来必须加强工程控制与自动化。研究结论可翻译为：总之，本研究证明了TEMPO介导的糠醛电氧化是在碱性水溶液中可扩展、高选择性制备糠酸的路线。微流控筛选确定了acetamido-TEMPO为有效介体，在高于2.0 V电位下实现完全转化和80%–90%选择性；提高流速抑制了过氧化。实验室规模实验在0.1 M糠醛和pH 11–12下确认介体稳定，糠酸生成速率从2.6 V时的1.3 mmol h^?1升至3.2 V时的3.3–3.4 mmol h^?1，周转频率约70 h^?1，法拉第效率75%–90%。台式规模（200 cm²，60 cm³）稳定运行于3.1–3.2 V，选择性近完全，法拉第效率接近100%，产出约50 g糠酸。进一步放大至五电池堆实现成功预中试，改进电池架构和操作策略增强了流通性能，最终产出约450 g糠酸，浓度高达1.9 M。这些结果凸显了堆工程、传质与欧姆损失在放大中的核心作用，并证实了在工业相关条件下高效生成和回收产物的可行性，为介导有机电合成超越筛选尺度走向中试实施确定了优先方向：介体优化、碳基电极架构、流动分布控制、pH与温度调节、自动化试剂投加、集成化产物与介体回收，以及配对阴极增值策略。