案例介绍 | 纳米催化与微流工艺在H₂O₂参与的氧化反应中的应用

过氧化氢具有极高的危险性，其性质不稳定且易爆。曾有报道2023年5月1日，山东聊城鲁西化工双氧水新材料科技有限公司1号双氧水装置发生爆炸着火事故，导致10人死亡、1人受伤，直接经济损失5445万元。但不可否认的是，过氧化氢作为一种还原产物仅为水的绿色环保（强）氧化剂，在氧化反应相关的化工行业中占据着不可或缺的地位。

在本案例中，我们成功制备了一种具有纳米尺度的三维分层孔隙度的 TiO₂-SiO₂微反应芯，以H₂O₂作为氧化剂合成了维生素E的关键中间体——2,3,5-三甲基-1,4-苯醌 (TMBQ)，为过氧化氢的安全高效使用提供了崭新的思路。

（经过煅烧后的硅棒及其结构的扫描电镜(SEM)图像）

构建微反应器：将 TiO₂-SiO₂ 微反应芯嵌入热缩管中，构成连续流微反应器。

催化氧化：在冰浴环境下，向2,3,6-三甲基苯酚（TMP）的乙腈溶液中加入H₂O₂，作为反应起始液。后将该溶液在一定温度下通过微反应器，对TMP进行催化氧化。

• 钛负载量影响：在5%Ti含量催化剂体系中，随着反应温度的提高，转化率明显提高。相比之下，1%Ti和2%Ti含量的催化剂催化性能较弱。因此，催化剂最佳钛负载量为5%。
• 反应温度影响：在一定范围内，反应温度增加会明显提高转化率。然而当反应温度从80℃继续升高到100℃时，转化率趋于稳定无明显升高。故最佳反应温度为80℃。
  

  
  

  （钛负载量和反应温度对反应性能的影响）

在钛负载量为5%，反应温度为80℃的条件下，通过改变氧化剂使用量和改变流速的方法，得到氧化剂使用量和停留时间对反应性能的影响：

• 氧化剂使用量的影响：在一定范围内提高氧化剂H₂O₂用量，可以加快反应速率并提高转化率，但当H₂O₂/TMP=3.5~4时，转化率升高不明显。故最佳H₂O₂/TMP=3.5。
• 停留时间的影响：随着停留时间的增加，转化率明显提高。当停留时间为12min时，转化率可达85%。此后，转化率基本保持不变，表明停留时间的临界值为12min。

  
  

  

（氧化剂使用量和停留时间对反应性能的影响）

通过此次实验，我们发现具有纳米尺度的三维分层孔隙度的TiO₂-SiO₂微反应器能够非常安全有效地利用H₂O₂将TMP氧化为TMBQ。

• 安全可靠：相较于间歇釜式反应器长达1h的反应时间，反应物在微反应器中反应时间仅为12min，快速反应且在微反应器中反应剂量小，极大程度降低了危险性。

• 高转化率：通过优化工艺条件，得出在微反应芯中钛含量占5%，反应温度为80℃，H₂O₂/TMP=3.5时，TMP转化率可达85%。