苯甲酸是一种重要的有机合成中间体,在食品、医药、染料、防腐剂等领域有着广泛的应用。传统的生产工艺如甲苯液相空气氧化法、甲苯氯化水解法等对环境存在严重的污染,因此很有必要寻求绿色无污染的苯甲酸合成新方法。太阳能是绿色无污染能源,高效利用太阳能可缓解能源短缺及环境污染等问题。传统太阳能利用技术只是单一利用太阳能集热或太阳能发电,太阳能利用方法和效率有限。在2009年,Licht和Wang提出了STEP理论模型(Solar Thermal Electrochemical Process),主要目标是通过利用太阳能将稳定的、反应能大的分子分解转化为含能分子或目标分子。STEP过程结合太阳能的光热效应和光电效应,为化学反应提供能量,大幅度提高太阳能利用率以及反应物转化率和产物选择性。本文将STEP化学理论首次应用于直接氧化甲苯合成苯甲酸的研究中。利用太阳能(太阳能生热及太阳能发电)驱动甲苯氧化反应,通过调整太阳能生热及太阳能发电在耦合场中的比例,考察太阳能热-电两场耦合作用下苯甲酸合成效果,确定反应的最佳条件。本文首先对太阳能STEP制苯甲酸反应的理论电解电势进行计算,研究了电极材料以及各实验因素对苯甲酸产率的影响,通过气相色谱仪(GC)和紫外-可见分光光度计(UV)、红外光谱仪(FTIR)对产物进行表征。研究结果表明,当采用铂片电极为阳极氧化甲苯合成苯甲酸时,反应温度90℃(由太阳能集热器提供),外加电场电压为3V(由太阳能光伏电池提供)时,苯甲酸的产率可以达到23.14%,生成产物中苯甲酸的选择性达90.85%;当采用石墨为阳极氧化甲苯合成苯甲酸时,反应温度为90℃,电压2V时,苯甲酸的产率达51.62%,生成产物中苯甲酸的选择性为89.27%。综上,太阳能热-电耦合模式氧化甲苯合成苯甲酸反应可行,分别以铂片及石墨为阳极氧化甲苯合成苯甲酸的转化率及目标产物的选择性均较高,STEP理论可应用于高效制备苯甲酸。