全球塑料年需求量預計2050年將超11億噸，但其生產嚴重依賴化石資源，2020年全生命周期溫室氣體排放達24.5億噸CO?當量。5-羥甲基糠醛（HMF）電氧化制備2,5-呋喃二甲酸（FDCA）是合成可再生聚酯的關鍵路徑，但傳統熱催化需高溫高壓及貴金屬催化劑，且存在副反應問題。此前千瓦級電流密度下的高選擇性FDCA電合成始終未能突破，主要受限于電極界面傳質不足、非法拉第副反應（如HMF縮合生成腐殖質）以及分子滲透等問題。

北京化工大學邵明飛、周華和清華大學段昊泓開發出一種固體聚合物電解質（SPE）反應器，通過工程化設計成功實現HMF的高選擇性電氧化。該反應器在1.5 A cm?²工業級電流密度下，以97.0%選擇性和88.2%法拉第效率穩定生產高濃度FDCA（~1.24 M），連續運行140小時性能無衰減。進一步構建的4.3 kW模塊化電化學平臺，達到33公斤/日的FDCA中試規模產能，較先前技術提升1-2個數量級。

反應器創新設計

團隊提出系統性解決方案：1）采用催化劑涂層膜（CCM）集成陽極（NiCoMoO?）和陰極（RuO?），消除陰極液以抑制分子滲透，使HMF/FDCA跨膜通量降低10倍；2）優化多孔傳輸層（PTL）結構，組合菱形網格/泡沫鎳/鎳網（RSG/NF/NM）形成湍流，增強徑向對流傳質；3）蛇形流場設計使電解液流速提升10倍（28.8 cm s?¹）；4）陽極板集成冷卻腔控制溫度<30°C，抑制HMF高溫縮合副反應。200 cm²單模塊測試表明（圖2h），在0.5 A cm?²電流密度下連續運行140小時，FDCA產率保持88.1 g h?¹，濃度達1.27 M。

圖1 | HMF電氧化制備FDCA的背景、演示與挑戰。

圖2 | SPE反應器設計與性能。

關鍵組件優化

對比實驗驗證了組件必要性：采用PTL-2（含RSG）與蛇形流場時，FDCA法拉第效率達84.5%，較基礎PTL-1提升32%。流體模擬顯示RSG結構產生大渦流，顯著增強電極表面徑向傳質。冷卻系統則使反應溫度控制在29°C，避免82°C高溫導致的FDCA選擇性驟降至40.9%，并抑制腐殖質生成，將副反應導向可轉化的Cannizzaro產物。

圖3 | SPE關鍵組件優化對HMFOR的影響。

運行參數調控

高濃度HMF（1.4 M）將OER競爭反應壓制至10.3%法拉第效率，使FDCA產率在1.5 A cm?²下提升至654 W功率。無陰極液設計將FDCA濃度提升至1.34 M（歷史最高），同時單程模式將HMF停留時間縮至2.9分鐘，較循環模式提升選擇性20%。能耗降至2.54 kWh/kg FDCA，低于文獻報道值。

圖4 | 運行條件對HMFOR的影響。

中試應用展示

八臺SPE反應器并聯的4.3 kW平臺（圖5a）在1.0 A cm?²電流密度下，以88.7%法拉第效率日產FDCA 33公斤，同步產生高純氫氣（0.67 m³ h?¹）。所得FDCA成功用于生物基塑料制造：與乙二醇聚合生成聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）熱塑性塑料，經3D打印成定制結構（圖5e）；與木質素衍生胺單體結合形成可回收環氧樹脂，模壓為"THU/BUCT"字母標識（圖5f）。經濟分析表明，通過聯產K?SO?和H?，FDCA成本可降至1301美元/噸，媲美熱化學工藝。

圖5 | 千瓦級FDCA生產與生物塑料應用

工業前景展望

該工作首次實現千瓦級生物質單體的高選擇性電合成，為可持續塑料產業提供了可放大的技術原型。未來需開發更大電極面積的反應器、優化電解質循環系統，并降低HMF原料成本。研究團隊強調，電化學路徑有望推動塑料工業從"石油基線性模式"向"生物質閉環模式"轉型，助力碳中和目標實現。