全球塑料年需求量预计2050年将超11亿吨，但其生产严重依赖化石资源，2020年全生命周期温室气体排放达24.5亿吨CO₂当量。5-羟甲基糠醛（HMF）电氧化制备2,5-呋喃二甲酸（FDCA）是合成可再生聚酯的关键路径，但传统热催化需高温高压及贵金属催化剂，且存在副反应问题。此前千瓦级电流密度下的高选择性FDCA电合成始终未能突破，主要受限于电极界面传质不足、非法拉第副反应（如HMF缩合生成腐殖质）以及分子渗透等问题。

北京化工大学邵明飞、周华和清华大学段昊泓开发出一种固体聚合物电解质（SPE）反应器，通过工程化设计成功实现HMF的高选择性电氧化。该反应器在1.5 A cm⁻²工业级电流密度下，以97.0%选择性和88.2%法拉第效率稳定生产高浓度FDCA（~1.24 M），连续运行140小时性能无衰减。进一步构建的4.3 kW模块化电化学平台，达到33公斤/日的FDCA中试规模产能，较先前技术提升1-2个数量级。

反应器创新设计

团队提出系统性解决方案：1）采用催化剂涂层膜（CCM）集成阳极（NiCoMoO₄）和阴极（RuO₂），消除阴极液以抑制分子渗透，使HMF/FDCA跨膜通量降低10倍；2）优化多孔传输层（PTL）结构，组合菱形网格/泡沫镍/镍网（RSG/NF/NM）形成湍流，增强径向对流传质；3）蛇形流场设计使电解液流速提升10倍（28.8 cm s⁻¹）；4）阳极板集成冷却腔控制温度<30°C，抑制HMF高温缩合副反应。200 cm²单模块测试表明（图2h），在0.5 A cm⁻²电流密度下连续运行140小时，FDCA产率保持88.1 g h⁻¹，浓度达1.27 M。

图1 | HMF电氧化制备FDCA的背景、演示与挑战。

图2 | SPE反应器设计与性能。

关键组件优化

对比实验验证了组件必要性：采用PTL-2（含RSG）与蛇形流场时，FDCA法拉第效率达84.5%，较基础PTL-1提升32%。流体模拟显示RSG结构产生大涡流，显著增强电极表面径向传质。冷却系统则使反应温度控制在29°C，避免82°C高温导致的FDCA选择性骤降至40.9%，并抑制腐殖质生成，将副反应导向可转化的Cannizzaro产物。

图3 | SPE关键组件优化对HMFOR的影响。

运行参数调控

高浓度HMF（1.4 M）将OER竞争反应压制至10.3%法拉第效率，使FDCA产率在1.5 A cm⁻²下提升至654 W功率。无阴极液设计将FDCA浓度提升至1.34 M（历史最高），同时单程模式将HMF停留时间缩至2.9分钟，较循环模式提升选择性20%。能耗降至2.54 kWh/kg FDCA，低于文献报道值。

图4 | 运行条件对HMFOR的影响。

中试应用展示

八台SPE反应器并联的4.3 kW平台（图5a）在1.0 A cm⁻²电流密度下，以88.7%法拉第效率日产FDCA 33公斤，同步产生高纯氢气（0.67 m³ h⁻¹）。所得FDCA成功用于生物基塑料制造：与乙二醇聚合生成聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）热塑性塑料，经3D打印成定制结构（图5e）；与木质素衍生胺单体结合形成可回收环氧树脂，模压为"THU/BUCT"字母标识（图5f）。经济分析表明，通过联产K₂SO₄和H₂，FDCA成本可降至1301美元/吨，媲美热化学工艺。

图5 | 千瓦级FDCA生产与生物塑料应用

工业前景展望

该工作首次实现千瓦级生物质单体的高选择性电合成，为可持续塑料产业提供了可放大的技术原型。未来需开发更大电极面积的反应器、优化电解质循环系统，并降低HMF原料成本。研究团队强调，电化学路径有望推动塑料工业从"石油基线性模式"向"生物质闭环模式"转型，助力碳中和目标实现。