近期，中國科學院合肥物質(zhì)院固體所環(huán)境與能源納米材料中心尹華杰研究員團隊在焦耳熱界面催化實現(xiàn)高效節(jié)能的酯化反應取得新進展。相關研究成果以“Joule-Heated Interfacial Catalysis for Advanced Electrified Esterification with High Conversion and Energy Efficiency”為題發(fā)表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2024, 2413949)上。      焦耳加熱作為一種新興的電熱輔助手段，具有均勻的熱場、精確的溫度調(diào)控、高效的電熱轉換和快速的加熱速率。然而在諸多中低溫催化反應領域，例如精細化學品生產(chǎn)中焦耳加熱的應用仍鮮有報道。酯化反應在化學、香料和制藥等領域中至關重要，但其高可逆性和低活性會導致總體收率受限。例如，在傳統(tǒng)乙酸乙酯（EA）生產(chǎn)中，當乙醇與乙酸摩爾比為1:1時，乙酸的平衡轉化率僅為62.5%。為提高轉化率，通常需要添加過量的乙醇或甲苯。此外，酯化反應常需在較高溫度（60-225°C）下進行以加快動力學，但這會導致成本增加、產(chǎn)品分離困難和能耗增大。

基于此，研究人員提出了一種利用焦耳熱界面催化（JIC）系統(tǒng)的酯化反應途徑，核心在于將焦耳加熱與界面催化進行耦合（圖1）。該系統(tǒng)以磺酸基共價有機框架（COF-SO3H）作為界面催化劑，碳氈作為電熱源（圖2）。在反應物摩爾比為1：1、加熱功率密度為0.49 W cm?3時，乙酸的轉化率可達80.5%，是理論平衡極限的1.29倍（62.5%）。研究表明，電熱源與COF-SO3H催化劑的緊密接觸實現(xiàn)了高效、局部的焦耳加熱，減少了熱損失，并精確控制了反應界面。JIC系統(tǒng)不僅提高了酯化效率，而且為實現(xiàn)高收率化學過程提供可持續(xù)的節(jié)能途徑。

上述研究得到了國家自然科學基金、合肥物質(zhì)院院長基金的支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413949

圖1. (a) 傳統(tǒng)體相加熱（CBH）系統(tǒng)；(b) 用于酯化反應的焦耳加熱界面催化（JIC）系統(tǒng)。

圖2. 焦耳加熱界面催化（JIC）系統(tǒng)制備示意圖。