在国家碳达峰和碳中和的背景下，光催化转化作为可持续的低碳技术，可在温和条件下解锁传统策略无法实现的化学反应，促成各种物质的高效利用，降低过程能耗，提高生产过程本质安全水平。连续流反应器可以大大改善釜式反应器的“光受限”问题，而非均相光催化剂的使用可以克服均相体系中催化剂回收难的缺点，然而如何在连续流中高效地应用非均相光催化剂是个非常大的挑战。
在此背景下，研究团队提出了一种利用气液固段塞流来实现非均相光催化连续流合成的新方法。得益于液弹内部的内循环和形成的薄液膜，该方法可以有效避免固体催化剂在流动过程中的沉积和堵塞，可弥补传统填充床方式压降高的缺陷，同时又强化了光催化转化过程中的光传递和质量传递过程。
芳香偶氮类化合物广泛应用于医药、染料、液晶材料、食品添加剂等领域。该工作以石墨相氮化碳（g-C3N4）催化下的硝基苯制偶氮类化合物为反应模板，结合可视化流动实验，分析研究了气液固段塞流下的硝基苯光催化反应行为，揭示了该流动模式与光催化反应过程的耦合调控机制，以及对光催化合成偶氮类化合物的强化机理。研究发现连续流能显著缩短反应时间；含气率的提高有利于形成更稳定的气液固段塞流，液段更短，而气泡与微通道间的薄液膜长度与厚度增加，催化剂颗粒在液段间穿梭。在高含气率下，总流速的提高使得液段内循环涡量更大，从而强化液固传质效率，进而提高光催化反应速率。最后，经过反应参数的优化，产物偶氮类化合物的时空产率达到26.1 mmol/h*L，通过“数增放大”，产率可达目前文献报道的釜式反应器（80L）的500多倍，使得该技术具有极高的商业应用意义。该研究工作为流动化学提供了使用非均相催化剂的新路径，可作为一种普适的方法强化各类材料、精细化学品和药物中间体的合成，推动其由传统间歇工艺向绿色、安全、高效的连续流工艺转变。
该工作获得了中科院青年创新促进会、中科院STS计划和壳牌前瞻科学项目的资助。
文章链接： https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130226
图1气液固段塞流强化偶氮化合物的非均相光催化合成
图2 (a)釜式反应器，(b)气液固段塞流下的硝基苯光催化反应性能对比
图3总流速对硝基苯转化率和气液固段塞流中液段长度的影响规律
