全球化工正邁向連續化、綠色化、智能化轉型，傳統間歇釜生產傳質差、可控性弱、副反應多、放大難、能耗高，光催化氣液反應、甲烷羰基化等體系更受傳質與選擇性限制，難以規?；涞?。丙酮作為大宗關鍵原料，傳統異丙苯法依賴化石資源、高溫高耗、碳排放大，光催化耦合連續流微通道是綠色替代的好方向。但該路線長期受限于催化劑選擇性不足與傳統反應器傳質薄弱，難以高效連續生產。最新 JACS 研究通過催化劑界面精準設計+機器學習優化連續流微通道，實現甲烷一步高選擇性合成丙酮。（選擇性 87.6%）并可長時間連續運行。Doi.org/10.1021/jacs.6c02495

核心亮點

1.構建 Au-NiO/ZnO 異質結光催化劑，定向調控反應路徑；

2.機器學習從 15625 種結構中篩選星形微柱通道，強化氣液傳質；

3.連續流體系下：丙酮選擇性 87.6%，穩定運行 20h 無衰減。

一、傳統工藝短板凸顯，連續流微通道成為破局關鍵

傳統丙酮生產依賴石化路線，苯、丙烯為基礎原料，經多步高溫高壓間歇反應完成合成，不僅高度依賴不可再生資源，還存在流程冗長、能耗偏高、三廢排放量大、批次間品質波動大等固有問題。

而常規光催化實驗室研究，多采用間歇釜模式，天生存在致命缺陷：

1.氣液接觸面積有限，甲烷、CO 溶解性差，傳質效率極低；

2.物料停留時間無法精準調控，副反應難以抑制；

3.反應工況不穩定，無法實現長時間連續運行；

4.工藝放大難度極大，實驗室小試數據難以平移到工業化生產。

想要真正實現綠色丙酮合成、甲烷資源化高值利用，僅優化催化劑遠遠不夠，必須從反應裝備與工藝路線底層重構，而連續流微通道技術正是解決氣液混合、強化傳質、精準控制反應過程、實現全流程連續化生產的核心抓手。

本次研究最大亮點，不在于單一催化劑改良，而是把連續流微通道工藝提升到核心戰略層面，用先進微通道反應器替代傳統間歇釜，從裝備端解決傳質瓶頸，讓光催化反應優勢真正落地。

圖：丙酮合成策略對比

圖注：圖1a 為傳統異丙苯工藝（苯+丙烯→異丙苯→苯酚+丙酮）及其對石化原料依賴；圖1b 為液相光催化 CH? 羰基化中常見路徑：CH?CO易水解為乙酸，或 CO 被OH 氧化為 CO?，導致丙酮選擇性低；圖1c 為本文策略：構建 Au-NiO 異質界面分別活化 CO/CH?，優化 CH?/CO 覆蓋比以促進CH?+CH?COC-C 偶聯，并用機器學習篩選的微流控通道強化氣-液傳質（薄液膜、二次流、氣柱/微柱），實現高選擇性丙酮合成。

二、研究核心亮點：以連續流微通道工藝為核心，重構光催化合成體系

團隊跳出傳統只做催化劑的研究思維，將連續流微通道反應器設計、流體仿真、機器學習優化作為核心突破口，形成「異質結光催化劑+智能微通道流動反應器」的一體化連續流解決方案。

1. 催化劑打底適配，為連續流工藝奠定基礎

研究精準構建 Au-NiO 異質結修飾 ZnO 光催化劑，通過多島結構構型優化，實現Au位點活化CO、NiO 位點活化CH?，異質界面穩定乙酰中間體，從分子層面定向調控反應路徑，抑制乙酸等副產物生成，為后續連續流體系高選擇性反應提供核心材料支撐。

在間歇釜測試中，優化催化劑已實現 65.3% 丙酮選擇性，循環穩定性優異，但受限于反應器傳質短板，性能無法進一步釋放，也無法實現連續化生產。

2. 機器學習賦能，定制化開發高性能微通道流動反應器

這是本次研究具有行業借鑒價值的核心 ——依托連續流微通道工藝思維，結合 CFD 流體模擬與機器學習，從 15625 種微通道結構中智能篩選出星形微柱流動反應器，適配光催化氣液反應體系的特殊需求。

圖注：流體碰到微柱后產生氣柱/微柱、液膜分割、二次流，液膜變薄，氣-液界面面積大，CH? 局部濃度提升；星形通道出現明顯氣泡/微柱與液膜分段，二次流增強傳質。

相較于傳統直通道、間歇釜，星形微通道連續流工藝具備很大的核心優勢：

傳質強化：星形結構誘導流體產生二次流，主動打破層流邊界層，大幅增大氣液接觸面積，減薄液膜厚度，讓甲烷、CO 快速抵達催化劑表面，解決氣液傳質不足痛點；

工況精準可控：微通道反應器自帶精準控溫、控壓、控停留時間優勢，反應參數可精細化調節，抑制副反應，大幅提升目標產物選擇性；

連續穩態運行：告別批次式反復投料、升溫、降溫、出料流程，實現物料持續進料、持續反應、持續出料，工況長期穩定；

放大效應極小：微通道單通道反應規律可線性疊加，小試工藝可無縫平移至中試、工業化量產，省去傳統工藝漫長的放大摸索周期。

3. 連續流體系性能跨越式突破，彰顯微通道工藝價值

將優選光催化劑與星形微柱連續流反應器耦合后，整套連續流工藝性能實現質的飛躍：

丙酮產率達50.9μmol h?¹，選擇性飆升至 87.6%，且可連續穩定運行 20 小時無明顯活性衰減。

這組數據充分印證：優秀的光催化反應，必須匹配先進的連續流微通道工藝與裝備；微通道高效傳質、精準過程控制、連續穩態生產的特性，是實現高選擇性、高穩定性、可工業化光催化合成的必要條件。

這項研究也為整個精細化工、醫藥中間體、光化學合成、低碳資源轉化行業指明方向：傳統間歇生產向連續流微通道工藝升級，已是不可逆的產業趨勢。

三、從學術研究到產業落地：連續流微通道工藝迎來規?；瘯r代

如何把實驗室前沿工藝，落地為工業化可量產、可復制、可落地的成熟生產方案，正是化工產業當下的核心需求。

傳統化工生產普遍面臨效率低、副反應多、安全性差、批次品質波動大、放大困難等痛點，而連續流微通道技術憑借高效傳質、精準控溫、反應路徑可控、全流程連續化、安全性高、易放大等天然優勢，適配精細化工、醫藥中間體、光催化合成、加氫反應、羰基化反應等場景，成為產業升級的核心抓手。

從本次甲烷制丙酮的研究邏輯不難看出：未來精細化學品、醫藥中間體、綠色催化合成的研發與生產，一定是催化劑配方+連續流反應裝備+工藝參數優化三位一體的模式，微通道連續流不再是實驗室小眾技術，而是工業化生產的標配工藝。

四、企業實力賦能｜布瑞利斯，讓化工生產更連續

浙江布瑞利斯科技是國內專注連續化工的高新技術企業，聚焦流動化學、連續光化學裝備研發與制造，提供從實驗室小試、工藝篩選到中試放大、工業化量產的全鏈條連續流解決方案。公司自主研發微通道反應器、連續光催化反應儀、連續化學篩選裝置等核心裝備，配套高壓泵、在線檢測與定制光催化劑，可實現反應、結晶、過濾一體化連續運行。憑借成熟工程化能力，已成功落地維生素 D 中間體、地屈孕酮關鍵中間體連續流合成，打通研發到量產全閉環。布瑞利斯助力精細化工、醫藥中間體、光催化合成、低碳資源化轉化等行業，完成從傳統間歇生產向智能化、連續化、綠色化生產的全面升級，為行業提供穩定、高效、安全、低成本的連續流整體解決方案。