我司技术团队与香港城市大学刘彬教授团队，突破低水溶性有机物电合成与分离难题的研究论文，相关成果发表于《Angewandte Chemie》期刊！

近日，浙江工业大学徐颖华教授团队与香港城市大学刘彬教授团队在Angewandte Chemie International Edition发表题为“Electro-Organic Synthesis at a Stable Oil/Water/Solid Three-Phase Interface Reactor”的研究论文。浙江工业大学为第一单位、浙江工业大学未来技术研究院为通讯作者单位。该工作得到国家自然科学基金（No. 22478348, 21576238）的支持。该工作同时还得到香港城市大学启动基金（No. 9020003）；创新科技署研究人才库-全球顶尖科技人才汇聚计划（No. 9446006）；以及赛马会二氧化碳高值化利用先进技术实验室（No. 9228005）的支持。

针对低水溶性有机物在传统电合成中面临的底物浓度低、界面传质受限和产物分离复杂等问题，研究团队从反应界面与反应器设计出发，开发了一种多孔膜电极（porous membrane electrode, PME）反应器，通过构筑稳定的油/水/固三相电化学界面，实现高浓度甚至纯低水溶性有机底物的直接电化学转化，并兼顾产物分离、长期运行和反应器放大。

一、关键挑战：如何实现难水溶有机物的高效电合成？

电有机合成为高附加值化学品的绿色制造提供了重要路径，但许多有机底物水溶性较差，传统水相电合成因此常面临反应效率低、支持电解质依赖高及产物分离困难等问题，通常需要加入共溶剂或乳化剂；转向有机相电解，又往往需要加入昂贵的支持电解质，使后续产物分离和电解质回收更加复杂。这带来一个关键问题：

如何突破低水溶性有机物的传质与浓度限制，同时兼顾高效电化学转化和便捷产物分离？

二、设计思路：将“溶解度问题”转化为“界面问题”

传统思路通常是提高有机物在水中的溶解度。本研究换了一个角度：既然难以把有机物溶进水，就让油相和水相直接在电极内部相遇。

PME由疏水多孔层和催化层构成，两侧分别接触有机相和水相电解液。有机底物从油相直接供给，水相负责离子传导，固体电极完成电子传递和催化，从而在多孔电极内形成油/水/固三相反应区域。这一设计带来两个直接优势：一方面，低水溶性底物可以高浓度甚至以纯液体直接参与反应；另一方面，支持电解质主要保留在水相，使有机产物与电解质天然分隔，从反应器层面同时缓解传质受限和产物分离复杂两大问题。

三、主要结果与创新

1. 构筑稳定的油/水/固三相电化学界面

Fig. 1 Design and performance optimization of the porous membrane electrode (PME) reactor.

PME通过疏水多孔层、催化层以及液位差共同调控油水两相分布，使有机相能够进入靠近催化层的多孔区域，同时抑制两相宏观互渗，从而在催化层内部或附近构建油/水/固三相反应区域。

以苯乙烯加氢为模型，研究发现，电极润湿性是决定反应性能的关键因素：过于疏水不利于水相参与，过于亲水又限制有机相接触，而具有适宜两亲性的界面能够实现更高效的反应。

优化后的PME展现出较宽的操作窗口，在不同液位差、电流密度、温度、底物浓度和水相pH条件下均能运行，多数测试条件下电流效率超过80%。

2. 从电化学还原、氧化到氧化-还原偶联反应

Fig. 2 Applicability of the PME reactor to representative electro-organic transformations. 

在模型反应基础上，研究进一步将PME反应器拓展至多种代表性的还原、氧化及氧化-还原耦合反应，覆盖烯烃/炔烃加氢、硝基化合物还原、肟合成、芳香侧链溴化、烯丙基氧化、醇氧化等不同反应类型，显示出良好的反应适用性。

更重要的是，在三种代表性反应的反应器级对照中，PME相较传统电化学构型均表现出更低的槽电压以及更高的反应效率和产物收率。这说明三相界面的价值并不局限于某一个模型底物，而是展现出进一步拓展至不同电有机转化的潜力。

3. 从“能反应”到“能放大”：>6 M、>400 h、447 g

Fig. 3 Engineering performance (stability, product concentration, separation, and scale-up effect) of the PME reactor.

实验室尺度上的高效率只是第一步。研究进一步采用板框式PME反应器考察其工程运行能力。在连续苯乙烯加氢过程中，有机相产物浓度可达>6 M，槽电压仅1.8–2.4 V；反应器可连续稳定运行>400 h，水相电解质同步实现长期循环使用，所得有机产物经简单蒸馏即可达到>98.5%纯度。

进一步以重要药物中间体对氨基苯酚（PAP）为例，电极面积由13 cm²放大至91 cm²后仍保持约90%的电流效率和选择性；通过5个91 cm² PME模块组合，总电极面积进一步扩大至455 cm²，连续运行30 h获得447 g PAP，纯度达98.9%。

由此完成了：

界面构筑→模型反应→长期运行→板框放大→百克级合成

PME反应器因而不仅证明了“反应可以发生”，更进一步回答了“能否高浓度、长时间并放大运行”。

4. 揭示三相界面的稳定运行机制

Fig. 4 Proposed interfacial mechanism of oil/water/solid three-phase electrosynthesis in the PME reactor.

为了理解PME为什么能够稳定工作，研究团队利用cryo-SEM/EDS、润湿性分析、电化学测试和液位调控实验，进一步解析PME的界面工作机制。

结构表征表明，水相主要分布于催化层，而有机相可经疏水多孔层进入邻近催化层区域，为三相界面的形成提供结构基础。简化平板电极实验进一步显示，两亲性电极产生最大的电流响应（ΔI≈0.65 A），明显高于亲水电极（≈0.39 A）和疏水电极（≈0.006 A），说明适宜的两相润湿有利于界面接触和传质。

基于这些结果，研究提出一种界面模型：水相沿亲水区域迁移，有机相进入催化层孔道并润湿疏水区域，两相在多孔网络中形成薄液膜，从而缩短传质距离并形成大量反应性三相界面。

简单来说，PME反应器的关键不是把油和水彻底混合，而是让它们在该接触的位置充分接触、该分离的位置保持分离。

5. 从反应性能走向过程可行性

Fig. 5 Techno-economic analysis (TEA) and CO2 emission life-cycle assessment (LCA).

研究最后以PAP为对象，将PME电解与传统电解及催化加氢进行技术经济分析（TEA）和生命周期评价（LCA）。标准条件下，PME的能耗约13 MJ kg⁻¹ PAP，与催化加氢（约12 MJ kg⁻¹）相当，并明显低于传统电解（约36 MJ kg⁻¹）。经济性分析表明，材料成本是PME路线的主要成本来源；在设定的标准工况和经济情景下，PME电解法表现出进一步放大的经济潜力。环境影响分析则显示，采用电网电力时，PME电解法的碳排放约为7.6 kg CO₂e kg⁻¹ PAP，低于传统电解（约9.1）和催化加氢（约9.4）；若进一步耦合风电或光伏，可降至约4.8–5.1 kg CO₂e kg⁻¹ PAP。

此外，与传统电解法相比，PME电解法的辅助材料强度、分离能耗、酸化潜势和化石资源消耗分别降低18.2%、35.0%、10.8%和12.3%。

这些结果体现了PME反应器一个容易被忽略的优势：它的价值不仅来自电极上“反应更快”，还来自高浓度合成、低槽电压和简化分离共同带来的过程收益。

四．工作亮点

这一工作的核心并不是单纯开发了一种新型电化学反应器，而是改变了低水溶性有机物参与电化学反应的方式。

界面设计新思路：将低水溶性底物的“溶解度问题”转化为“界面问题”，让高浓度甚至纯有机底物直接参与电化学转化。

反应器平台化：覆盖代表性的还原、氧化和氧化–还原耦合反应，并在三种代表性反应中表现出相较传统构型更低的槽电压和更高的反应效率与产物收率。

工程可行性：低槽压（~2 V）、长稳定运行（>400 h）、高产物浓度（>6 M），并完成500 g级PAP合成验证。

系统收益：TEA与LCA表明，PME在能耗、分离和排放方面均具优势。

五. 延伸阅读：从水处理到电有机合成的反应器演进

该工作是徐颖华团队围绕膜传递、界面调控与电化学反应器强化持续探索的进一步延伸。团队早期研究主要面向水处理，通过钯膜反应器，将电化学侧原位生成的活性氢定向传递至独立的反应侧，在不向目标水体引入支持电解质的条件下实现污染物还原（图6A）。该工作发表于NatureWater(2023,1,95–103；DOI: 10.1038/s44221-022-00002-3)。

Fig. 6 Design concepts of three types of electrochemical membrane reactors

然而，钯膜的价格较高、机械稳定性及进一步放大受到限制。沿着“活性物种跨膜传递 + 电解质隔离”这一思路，团队进一步以疏水多孔材料替代致密钯膜，发展了电化学氢膜（EHM）反应器（图6B）。该工作采用Ru NPs-EHM，在保持目标水体与电解质隔离的同时，实现了饮用水中12种代表性卤代消毒副产物的高选择性深度脱卤，并实现超过200 h的连续运行。虽然这一阶段的重点仍然是水处理，但反应器由“致密金属膜传递活性氢”进一步发展为“多孔膜定向传递原位生成的活性物种（分子）”，显著降低了对致密贵金属膜的依赖。该工作发表于该工作发表于Separation and Purification Technology (2026, 391, 137108；DOI: 10.1016/j.seppur.2026.137108)。

在解决水处理中的活性物种传递和电解质隔离之后，团队进一步提出：这一反应器原理能否突破水处理边界，用于高附加值有机化学品制造？2025年发表于

Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS, 122, e2514240122; DOI: 10.1073/pnas.2514240122)的工作将这一理念拓展至水相和有机相电合成，开发四室电化学反应器（图6C），通过活性物种的原位生成和定向跨膜传递，将电化学过程与化学反应过程空间解耦，由此完成了反应器功能从“污染物去除”向“目标化学品合成”的关键跨越。

然而，这类反应器仍主要依赖活性物种跨膜传递驱动有机转化，反应类型受限，难以满足众多低水溶性液态有机物直接参与的电化学合成需求。针对这些新的问题，最新发表于Angewandte Chemie International Edition的工作进一步将设计理念由“跨膜传递活性物种”推进至“在多孔膜电极内直接构筑反应界面”。通过PME构筑稳定的油/水/固三相界面，使高浓度甚至纯有机底物能够直接参与电化学转化，并进一步实现高浓度产物、长期稳定运行和规模化合成。

从面向水处理的活性物种跨膜传递与电解质隔离，到将这一反应器理念拓展至有机合成，再到直接构筑油/水/固三相界面实现低水溶性有机物的高效电化学转化，这一系列工作体现了团队围绕膜传递、界面调控与反应器强化持续推进的研究路径，也推动了电化学膜反应器由污染物去除向高附加值化学品绿色制造的逐步拓展。

六. 参考文献

[1] Deyin Chen, Yinghua Xu*, Bin Liu*, et al. Electro-Organic Synthesis at a Stable Oil Water Solid Three-Phase Interface Reactor. Angewandte Chemie International Edition (2026): e3415969, https://doi.org/10.1002/anie.3415969

[2] Yinghua Xu*, Zhechuan Mao, Bin Liu*, et al. Electrochemical hydrogenation of oxidized contaminants for water purification without supporting electrolyte. Nature Water 1, (2023): 95-103, https://doi.org/10.1038/s44221-022-00002-3.

[3] Huan Wu, Yinghua Xu*, Bin Liu*, et al. A supporting-electrolyte-free four-compartment electrochemical reactor for aqueous and organic phase electrosynthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences 122, (2025): e2514240122, https://doi.org/10.1073/pnas.2514240122.

[4] Baoquan Liu, Yinghua Xu*, Bin Liu*, et al. Electrochemical hydrogenation of halogenated disinfection byproducts in drinking water purification. Separation and Purification Technology 391, (2026): https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137108.

 七. 主要作者介绍

第一作者：陈德银，徐颖华团队2026级博士毕业生。主要研究方向：有机电化学合成及膜反应器设计。已发表学术论文3篇；获得中国公开专利3件。

通讯作者：徐颖华研究员，博士生导师，万华化学讲席教授。主持国家基金面上项目、企业项目等20余项；作为技术总负责建成国际上首条二氯吡啶酸电解合成生产线，创制钒电解液、氯氨吡啶酸、己二腈等多套电解工业或中试装置；通讯作者在Nature Water, PNAS, Angew. Chem.等期刊上发表研究论文30余篇；获得浙江省技术发明奖一等奖、中国专利优秀奖、中石化联合会科技进步奖等多个奖项。徐颖华课题组网站链接：https://www.x-mol.com/groups/xuyh。

通讯作者：刘彬教授，2002年和2004年分别在新加坡国立大学获得工程学学士学位（一等荣誉）和工程学硕士学位，并于2011年在美国明尼苏达大学完成博士学位。在美国加州大学伯克利分校担任博士后研究员一年后，他于2012年6月加入南洋理工大学化学与生物医学工程学院，担任助理教授，并于2017年3月晋升为副教授。2023年2月，刘教授加入香港城市大学材料科学与工程系，担任全球STEM教授，并于2026年7月1日晋升为电催化讲座教授。他的研究聚焦于光（电）催化以及原位/操作表征。2016年被Royal Society of Chemistry的Journal of Materials Chemistry A评为新锐研究者，于2018年被American Chemical Society的Industrial & Engineering Chemistry Research评为具有影响力研究人员，并于2019年（Cross-Field）和2020至2025年（Chemistry）被Clarivate Analytics列入“Highly Cited Researchers”名单。他已发表300余篇研究论文，包括Nature, Science, Nature Chemistry, Nature Nanotechnology, Nature Catalysis, Nature Energy, Nature Sustainability, Nature Water, Nature Chemical Engineering, Nature Reviews Chemistry, Joule, Chem, PNAS, JACS等。

杭州赛奥

       杭州赛奥电化学仪器有限公司(简称:赛奥电化学www.hzcell.com)，是一家以电化学反应研究及分析装置的设计与制作、电化学合成及水处理技术开发与工程放大为主营业务的科技型公司。公司依托浙江工业大学、新加坡南洋理工大学、美国斯克利普斯研究所等国内外知名电化学研究单位，拥有一支具有扎实电化学专业知识和丰富工程经验的技术团队，公司主要产品有:标准三电极测试池、H型电解池、光谱电解池、流动电解池、工业模拟小试与中试电解装置及各种电极材料等。此外，公司还提供各类电化学原位反应器及特殊反应器的定制服务和电化学合成及水处理技术开发及工程放大服务。公司产品畅销海内外，获得广泛好评，客户包括:万华化学、凯莱英医药、台湾中石化等著名企业，中科院、西安近代化学研究所、韩国基础科学研究所等科研院所和清华大学、北京大学、悉尼大学、香港大学等国内外知名高校。