化学化工学院刘燕/苏远海/崔勇团队Nature Catalysis：多孔纳米流体催化剂助力快速规模化连续流光催化氧化

　　

2026年6月17日，上海交通大学化学化工学院刘燕教授、苏远海研究员、崔勇教授及合作者在国际学术期刊Nature Catalysis 《自然·催化》期刊上发表了题为“Porous Ru-loaded covalent organic framework nanofluids for fast and scalable continuous-flow photocatalytic oxidations”的研究论文。该研究报道了一类新型多孔共价有机框架（covalent organic frameworks, COFs）纳米流体光催化剂，研究团队通过将具有光催化活性的钌(II)-邻菲罗啉单元精准嵌入晶态框架，并进一步将其加工为稳定分散的纳米流体催化剂，在连续流微反应器中实现了高效传质、光能利用和热管理，显著提升了多种手性或非手性光催化氧化反应的连续流催化效率，为相关精细化学品的快速、可规模化合成提供了新的技术路径。上海交通大学化学化工学院、化学生物协同物质创制全国重点实验室为第一完成单位。上海交通大学化学化工学院姜超、王昱翰博士以及浙江工业大学盛冠博士为论文的共同第一作者。上海交通大学刘燕教授、苏远海研究员、崔勇教授以及浙江工业大学朱艺涵教授为共同通讯作者。中国科学技术大学张群教授在超快光谱实验方面提供了重要支持。

连续流光催化作为绿色化学合成的重要技术，能够精准调控光输入、反应停留时间和生产规模。然而，该技术的广泛应用仍面临诸多挑战：均相光催化体系通常具有较高的光吸收效率和快速传质优势，但存在催化剂分离困难、回收利用受限以及金属残留风险等问题；多相光催化体系则具有运行稳定、催化剂易回收和可重复使用等优点，但常受限于光穿透不足、界面传质效率较低和催化活性位点利用不充分。在微反应器中，高比表面积和短光程虽有利于强化光化学过程，但也会进一步放大不同催化体系各自的局限性。因而，如何在连续流光催化中兼具均相催化的高效性与多相催化的实用性，已成为流动化学领域的重要研究方向。

针对上述问题，研究团队设计并构筑了两种离子型共价有机框架材料COF-PDA和COF-TAPPY。两种材料均以钌(II)-邻菲罗啉配合物为功能砌块，通过亚胺键连接构筑具有永久孔道和长程有序结构的晶态框架，为光吸收、底物传质和催化反应提供了理想平台（图1）。

 

图1 流动光催化策略对比及COF-PDA、COF-TAPPY的合成路线

借助冷冻低剂量电子显微技术和粉末X射线衍射分析，研究团队成功解析了材料独特的三重螺旋结构。其中，COF-PDA呈现三重互穿的acs拓扑结构，COF-TAPPY则形成stp拓扑结构。三重螺旋框架不仅为光催化活性中心提供了明确的空间限域环境，也为揭示光催化反应过程中传质、传热及光能利用机制提供了重要结构基础（图2）。

 

图2 COF-PDA和COF-TAPPY的低剂量高分辨电子显微成像和晶体结构图

为评估材料的光催化性能，研究团队开展了一系列光电性质测试。结果表明，COF-TAPPY具有更强的可见光吸收能力、更高效的光生电荷分离效率以及更优异的单线态氧生成能力（图3）。

 

图3 COF-PDA和COF-TAPPY的光电性质表征

研究团队进一步通过高剪切分散处理，在保持材料结晶性和多孔性的前提下，将光催化性能更优异的COF-TAPPY加工为平均粒径约96 nm的纳米流体。该体系无需引入表面活性剂，即可在1,2-二氯乙烷和N,N’-二甲基甲酰胺中分别保持24小时和7天以上的胶体稳定性，显示出优异的抗沉降能力和流动稳定性。与未经处理的COF材料相比，COF-TAPPY纳米流体实现了长期稳定分散，有效降低了颗粒团聚和管路堵塞风险。在保持有序孔道结构和精准催化位点优势的同时，赋予材料纳米尺度的动态分散特性和连续流反应体系适配性（图4）。

 

 

图4 COF-TAPPY纳米流体的结构表征、粒径分布与胶体稳定性

青蒿素作为重要的抗疟疾药物，其光氧化半合成过程涉及氧气参与的多步光化学转化，对光能传输、气液传质及温度调控均提出较高要求。为验证多孔纳米流体体系在连续流光催化氧化中的性能，研究团队以二氢青蒿酸光氧化合成青蒿素为代表性反应，通过T型微混合器构建氧气/反应液两相段塞流，实现COF-TAPPY纳米流体的连续光催化转化。结果表明，在7分钟停留时间内，该体系可实现二氢青蒿酸98%的转化率，并以64%的产率获得青蒿素目标产物。相比之下，未经高剪切处理的COF-TAPPY材料需6小时才能实现完全转化，表明纳米流体与微反应器集成显著提升了光催化反应速率（图5）。

为进一步评估其规模化应用潜力，研究团队设计搭建了平行光微反应器系统，实现了反应通量和处理规模的同步提升。在双通道并行运行条件下，体系在7分钟停留时间内可实现接近完全转化，并保持与单通道反应器相当的青蒿素产率。连续运行12小时后，该系统在纯氧和有机溶剂共存条件下仍可保持稳定、安全的连续操作，理论日产量约24克，显示出纳米流体催化体系良好的连续光合成能力。结合CFD模拟，系统分析了纳米流体催化剂对传质、传热及光能利用的提升作用。上述结果表明，多孔纳米流体能够同时整合均相催化的高效率、多相催化的可分离性以及微反应器的过程强化优势（图5）。

 

 

图5 高效多孔纳米流体光微反应体系与催化性能

除青蒿素光氧化半合成外，该多孔纳米流体体系还适用于苄胺和α-萜品烯的光催化氧化，以及2-芳基吲哚的不对称氧化-烷基化等连续流光催化转化过程，结果表明，纳米流体在在不同类型底物和反应模式中均可缩短反应停留时间，提高催化效率，展现出良好的普适性和过程强化能力。

综上，该研究构建了一种兼具均相光催化和多相光催化优势的新型连续流光催化体系，为流动光化学合成提供了一种全新的发展范式。在理论层面，该研究突破了传统均相催化与多相催化“非此即彼”的认知局限，构建了有序结构与动态分散的全新体系；在作用机制层面，证实了活性位点的高效分散、段塞流驱动的界面传质与合理的反应器设计，是实现最优催化性能的关键。未来，通过与人工智能驱动的自动化流动平台等先进反应器技术相结合，这类新型催化体系有望突破传统光催化技术的性能上限。

上述研究得到国家自然科学基金和国家重点基础研究计划等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-026-01555-2

作者：

化学化工学院

供稿单位：

化学化工学院