5-羟甲基糠醛（5-HMF）是一种重要的精细化工平台化合物，可以转化为一系列高附加值的化工产品。例如2，5-呋喃二甲酸，可以作为对苯二甲酸的替代品合成可降解聚酯。
己糖在酸催化剂的作用下脱水是目前合成5-HMF的主要方式。目前报道的反应体系均具备浓度低或体积小的特点，反应的经济效应差，。而相较于液体酸，固体酸催化剂具有不腐蚀设备，产物易分离等优点。因此，制备一种对高浓度、大体积反应体系具有高响应效率的催化体系是十分必要的。
硫酸化的二氧化锆（SO4-ZrO2）是一种典型的固体超强酸，对果糖转化具有较好的催化效果，但是其通常为粉末形状，熔点较高，难以烧结成型用于固定床反应器中。同时，高浓度的己糖溶液由于粘度过高，经过固定床反应器后压力降过大。搅拌釜式反应器能够有效地解决该问题，但是催化剂回收较难，磨损严重。
近日，大连理工大学化工学院陶胜洋教授团队在前期整体式旋转床催化反应器的研究基础上（AIChE J. (2021), 67(7), e17298），利用激光辅助加工技术制备了SO4-ZrO2高效固体酸催化剂，并组装成旋转床催化反应器，在高浓度体系合成5-HMF方面取得了新进展。基于有限元的数值计算结果显示脉冲激光可以对锆金属表面进行超快烧蚀，产生大量金属原子蒸气并迅速冷凝。同步辐射、X射线光电子能谱和电子显微镜结果表明锆蒸气被部分氧化后，在金属锆片上沉积形成含大量氧缺陷的多孔纳米氧化锆层（VO-ZrOx），这种高活性的锆氧化物经过酸化、煅烧后形成二氧化锆（SO4-ZrO2）整体式固体酸催化剂。实验结果表明，在30%质量浓度的果糖溶液中，果糖以96%的转化率和近乎100%的选择性转化为了5-HMF。得益于激光辅助加工技术带来的加工速度快、面积达、重复性能好等优势，反应体系具有较好的放大潜力。该催化反应器的制备工艺步骤少、耗时短、环境污染小、可激光快速再生，并且具有旋转床反应器催化剂与产物分离性能好的优点。因此，相关工作发表于化工领域的顶级期刊AIChE Journal（AIChE J.(2022),68(10), e17827. DOI: https://doi.org/10.1002/aic.17827）上。
该工作将激光加工这一现代材料数字成型技术用于催化剂加工，并利用数值仿真技术建立数字孪生模型，分析了催化剂的生成过程，与实验结果高度一致，为高性能催化剂的开发提供了一种新的思路和手段。
论文第一作者为我校化工学院博士生曹金哲，通讯作者为化工学院陶胜洋教授。研究工作得到了中央高校基本科研业务费（DUT20GJ208）及国家自然科学基金（21872018）的经费支持。
