高效傳質(zhì)與界面調(diào)控：電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)突破

1 引言

       電催化技術(shù)通過電能驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，可在溫和條件下實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵的精準(zhǔn)斷裂與重組，是構(gòu)建 “電能 - 化學(xué)能” 轉(zhuǎn)化通道、推動化工過程低碳化的關(guān)鍵手段 。相較于傳統(tǒng)間歇式電催化反應(yīng)裝置，連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)通過反應(yīng)物的持續(xù)通入、反應(yīng)過程的實(shí)時監(jiān)控及產(chǎn)物的在線分離，顯著縮短反應(yīng)周期、提升原料利用率，同時避免批次間誤差，為反應(yīng)過程的規(guī)模化放大奠定基礎(chǔ) 。

      當(dāng)前，電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)在有機(jī)電合成（如醇類氧化、C-C 偶聯(lián)）、能源轉(zhuǎn)化（如 CO?電還原、水分解制氫）及污染物降解（如難降解有機(jī)物氧化）等領(lǐng)域已展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，但實(shí)際運(yùn)行中仍面臨兩大核心挑戰(zhàn)：其一，傳質(zhì)效率低下。連續(xù)流體系內(nèi)，反應(yīng)物需通過擴(kuò)散、對流等方式到達(dá)電極表面活性位點(diǎn)，若傳質(zhì)速率低于界面反應(yīng)速率，易導(dǎo)致電極表面反應(yīng)物濃度驟降，形成 “傳質(zhì)限制區(qū)”，不僅降低反應(yīng)速率，還可能引發(fā)析氫 / 析氧等副反應(yīng) ；其二，界面反應(yīng)可控性差。電極 - 電解液界面是電催化反應(yīng)的核心區(qū)域，其微觀結(jié)構(gòu)（如電極孔隙率、表面粗糙度）、化學(xué)環(huán)境（如離子濃度、pH 值）及電子傳輸特性直接影響活性位點(diǎn)的暴露程度與反應(yīng)選擇性，而連續(xù)流條件下流體沖刷、離子遷移等動態(tài)過程易破壞界面穩(wěn)定性，導(dǎo)致催化性能衰減 。

      針對上述問題，科研人員圍繞 “傳質(zhì)強(qiáng)化” 與 “界面調(diào)控” 開展大量研究，通過反應(yīng)器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、功能材料設(shè)計(jì)及過程參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)性能的突破。本文將系統(tǒng)梳理該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展，從傳質(zhì)強(qiáng)化機(jī)制、界面調(diào)控策略及技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證三個維度展開論述，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供參考。

2 電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)的傳質(zhì)瓶頸與界面局限

2.1 傳質(zhì)瓶頸的核心表現(xiàn)與成因

      在電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)中，傳質(zhì)過程可分為 “主體溶液傳質(zhì)”“擴(kuò)散層傳質(zhì)” 兩個階段：主體溶液中，反應(yīng)物通過流體對流實(shí)現(xiàn)宏觀遷移；靠近電極表面的擴(kuò)散層（厚度通常為 10-100μm）中，對流作用減弱，傳質(zhì)主要依賴分子擴(kuò)散 。當(dāng)前系統(tǒng)的傳質(zhì)瓶頸主要體現(xiàn)在以下兩方面：

       擴(kuò)散層厚度過大，分子擴(kuò)散速率不足：傳統(tǒng)連續(xù)流反應(yīng)器（如管式反應(yīng)器）中，流體流速較低（通常 <10mL/min），電極表面易形成穩(wěn)定的擴(kuò)散層，導(dǎo)致反應(yīng)物難以快速到達(dá)活性位點(diǎn)。以 CO?電還原為例，當(dāng) CO?在電解液中的溶解度較低（25℃、1atm 下約為 33mmol/L）且擴(kuò)散系數(shù)較?。s 1.9×10??cm2/s）時，擴(kuò)散層內(nèi) CO?濃度易降至反應(yīng)閾值以下，迫使反應(yīng)轉(zhuǎn)向析氫副反應(yīng)，CO?轉(zhuǎn)化效率不足 40%。

       流體流型不均，局部傳質(zhì)死區(qū)形成：反應(yīng)器內(nèi)流道設(shè)計(jì)不合理（如直角轉(zhuǎn)彎、截面突變）易導(dǎo)致流體出現(xiàn)渦流或滯留區(qū)，形成 “傳質(zhì)死區(qū)”。死區(qū)內(nèi)反應(yīng)物無法及時更新，產(chǎn)物持續(xù)堆積，不僅降低原料利用率，還可能導(dǎo)致產(chǎn)物在電極表面吸附團(tuán)聚，堵塞活性位點(diǎn)。例如，在有機(jī)電合成的連續(xù)流系統(tǒng)中，管式反應(yīng)器的彎道處死區(qū)體積占比可達(dá) 15%-20%，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物收率較理想流型下降低 25% 以上 。

2.2 界面反應(yīng)的局限與影響因素

      電極 - 電解液界面是電催化反應(yīng)的 “主戰(zhàn)場”，其反應(yīng)特性由界面微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)環(huán)境及電子傳輸效率共同決定，當(dāng)前系統(tǒng)的界面局限主要包括：

      活性位點(diǎn)暴露不足：傳統(tǒng)塊狀電極（如鉑片、石墨棒）的比表面積較?。ㄍǔ?<10m2/g），且表面易形成鈍化層（如金屬氧化物、聚合物膜），導(dǎo)致活性位點(diǎn)被覆蓋。例如，在水分解制氫的連續(xù)流系統(tǒng)中，鎳基電極長期運(yùn)行后表面會生成 Ni (OH)?鈍化層，使析氫活性降低 30%-50%。

      界面電子傳輸阻力大：電極與電解液間的電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）直接影響反應(yīng)動力學(xué)。若電極材料導(dǎo)電性差（如某些金屬氧化物催化劑）或電解液離子電導(dǎo)率低（如低濃度電解質(zhì)溶液），會導(dǎo)致 Rct 顯著增大，使反應(yīng)需在更高過電位下啟動，增加能耗。例如，在低濃度 NaCl 電解液（0.1mol/L）中處理有機(jī)廢水時，界面 Rct 可達(dá) 500Ω 以上，較 1mol/L NaCl 體系的反應(yīng)速率降低 60%。

      界面化學(xué)環(huán)境不穩(wěn)定：連續(xù)流條件下，流體沖刷會導(dǎo)致電極表面電解液 pH 值、離子濃度動態(tài)變化。例如，在電催化還原硝基苯制備苯胺的過程中，反應(yīng)生成的 H?會被流體快速帶走，導(dǎo)致電極表面 pH 值升高，使催化劑活性中心（如 Pd?）氧化為 Pd2?，反應(yīng)選擇性從 95% 降至 70% 以下 。

3 高效傳質(zhì)強(qiáng)化的關(guān)鍵技術(shù)突破

       針對電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)的傳質(zhì)瓶頸，科研人員通過反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流體場動態(tài)調(diào)控及多物理場耦合等手段，實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)效率的顯著提升，具體技術(shù)路徑如下：

3.1 微通道反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與傳質(zhì)強(qiáng)化機(jī)制

     微通道反應(yīng)器（通道尺寸 10-1000μm）憑借 “小尺寸效應(yīng)”，可大幅縮短反應(yīng)物擴(kuò)散距離、增大比表面積（通常 > 100m2/m3），是解決傳質(zhì)限制的核心技術(shù)方向 。近年來，基于微通道結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要包括：

      異形截面微通道設(shè)計(jì)：將傳統(tǒng)圓形截面改為三角形、矩形或鋸齒形截面，通過增強(qiáng)流體擾動破壞穩(wěn)定擴(kuò)散層。例如，研究人員設(shè)計(jì)的鋸齒形微通道（截面尺寸 200μm×200μm），通過流道壁面的周期性凸起使流體產(chǎn)生二次流，擴(kuò)散層厚度從 50μm 降至 15μm 以下，CO?電還原的反應(yīng)速率提升 2.3 倍 。

      多孔介質(zhì)填充型微通道：在微通道內(nèi)填充多孔材料（如泡沫金屬、碳納米管陣列），構(gòu)建 “多級傳質(zhì)通道”。多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)不僅為反應(yīng)物提供額外擴(kuò)散路徑，還可通過毛細(xì)作用增強(qiáng)電解液與電極的接觸。例如，在泡沫鎳填充的微通道中進(jìn)行水分解制氫，多孔結(jié)構(gòu)使電解液與電極的接觸面積提升 5 倍，傳質(zhì)系數(shù)從 0.8×10??m/s 增至 3.2×10??m/s，析氫電流密度提升 3.5 倍 。

      膜分離集成型微通道：將離子交換膜（如 Nafion 膜）嵌入微通道，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物與產(chǎn)物的原位分離，避免產(chǎn)物堆積對傳質(zhì)的阻礙。例如，在電催化氧化乙醇制備乙酸的連續(xù)流系統(tǒng)中，質(zhì)子交換膜將陽極（乙醇氧化區(qū)）與陰極（析氫區(qū)）分隔，產(chǎn)物乙酸通過膜滲透快速脫離陽極表面，反應(yīng)物乙醇的傳質(zhì)效率提升 40%，目標(biāo)產(chǎn)物收率從 75% 增至 92%。

3.2 流體場動態(tài)調(diào)控技術(shù)與傳質(zhì)效率優(yōu)化

      通過調(diào)控流體流速、流型及脈動頻率，可實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)過程的動態(tài)優(yōu)化，具體技術(shù)包括：

      脈沖流驅(qū)動的傳質(zhì)強(qiáng)化：采用脈沖泵替代傳統(tǒng)恒流泵，使流體以 “脈沖 - 暫?！?模式流動。脈沖過程中，流體流速瞬間升高，產(chǎn)生的剪切力可破壞擴(kuò)散層；暫停過程中，反應(yīng)物充分?jǐn)U散至電極表面。例如，在電催化降解苯酚的連續(xù)流系統(tǒng)中，采用脈沖頻率 1Hz、脈沖占空比 50% 的流體驅(qū)動方式，較恒流模式下的傳質(zhì)效率提升 60%，苯酚去除率從 80% 增至 98%。

      旋轉(zhuǎn)電極耦合的流場調(diào)控：在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置旋轉(zhuǎn)電極（轉(zhuǎn)速 500-3000rpm），通過電極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，增強(qiáng)電解液對流。旋轉(zhuǎn)電極表面的流體邊界層厚度隨轉(zhuǎn)速升高而降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速從 500rpm 增至 2000rpm 時，邊界層厚度從 40μm 降至 8μm，電催化還原硝基苯的反應(yīng)速率提升 2.8 倍 。

3.3 多物理場耦合的傳質(zhì)協(xié)同強(qiáng)化

      將電場、溫度場、超聲場等與流場耦合，通過多物理場協(xié)同作用突破傳質(zhì)限制，典型案例包括：

      電場 - 溫度場耦合：通過加熱電極或電解液，提高反應(yīng)物擴(kuò)散系數(shù)（溫度每升高 10℃，擴(kuò)散系數(shù)約增加 10%-20%）。例如，在電催化 CO?還原的連續(xù)流系統(tǒng)中，將電解液溫度從 25℃升至 60℃，CO?擴(kuò)散系數(shù)從 1.9×10??cm2/s 增至 3.1×10??cm2/s，同時溫度升高促進(jìn)電解液對流，傳質(zhì)效率提升 80%，CO 選擇性從 65% 增至 88%。

       超聲場 - 流場耦合：超聲振動（頻率 20-100kHz）可在電解液中產(chǎn)生微射流和空化氣泡，增強(qiáng)流體擾動。例如，在電催化氧化甲醇的連續(xù)流系統(tǒng)中，引入 40kHz 超聲場，微射流破壞電極表面擴(kuò)散層，傳質(zhì)系數(shù)提升 1.5 倍，甲醇轉(zhuǎn)化率從 70% 增至 95%。

4 電極 - 電解液界面精準(zhǔn)調(diào)控的核心策略

      針對界面反應(yīng)局限，通過功能化電極設(shè)計(jì)、原位界面修飾及反應(yīng)環(huán)境調(diào)控，實(shí)現(xiàn)界面結(jié)構(gòu)與化學(xué)環(huán)境的精準(zhǔn)控制，具體策略如下：

4.1 功能化電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與活性位點(diǎn)優(yōu)化

      通過調(diào)控電極的微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成，提升活性位點(diǎn)暴露程度與電子傳輸效率：

     分級多孔電極設(shè)計(jì)：采用模板法、水熱法等制備具有 “宏孔 - 介孔 - 微孔” 分級結(jié)構(gòu)的電極，宏孔（尺寸 > 50nm）便于電解液流通，介孔（2-50nm）與微孔（<2nm）提供大量活性位點(diǎn)。例如，研究人員以三聚氰胺泡沫為模板制備的分級多孔碳電極，比表面積達(dá) 2000m2/g 以上，在電催化還原 CO?時，活性位點(diǎn)暴露量較傳統(tǒng)碳電極提升 10 倍，CO 法拉第效率達(dá) 92%。

      異質(zhì)結(jié)構(gòu)建與電子結(jié)構(gòu)調(diào)控：通過金屬 / 金屬氧化物、金屬 / 碳材料等異質(zhì)結(jié)構(gòu)建，調(diào)控活性位點(diǎn)的電子密度。例如，在 Cu 電極表面負(fù)載 Ni 納米顆粒形成 Cu-Ni 異質(zhì)結(jié)，Ni 的電子轉(zhuǎn)移至 Cu 表面，使 Cu 的 d 帶中心上移，增強(qiáng) CO?吸附能力，在連續(xù)流系統(tǒng)中，CO?轉(zhuǎn)化為 C??產(chǎn)物（如乙烯、乙醇）的選擇性從 35% 增至 68%。

     自支撐柔性電極制備：采用電化學(xué)沉積、電紡絲等技術(shù)制備自支撐柔性電極（如鎳基納米片陣列、碳納米管纖維膜），避免粘結(jié)劑對活性位點(diǎn)的覆蓋。例如，自支撐 NiFe 層狀雙氫氧化物（LDH）電極，無粘結(jié)劑設(shè)計(jì)使活性位點(diǎn)暴露率提升 80%，在連續(xù)流水分解系統(tǒng)中，析氧過電位（10mA/cm2 時）僅為 240mV，較傳統(tǒng)粘結(jié)劑電極降低 60mV 。

4.2 原位界面修飾技術(shù)與界面穩(wěn)定性提升

      通過原位沉積、離子摻雜等手段對電極 - 電解液界面進(jìn)行動態(tài)修飾，改善界面化學(xué)環(huán)境：

      原位金屬離子沉積修飾：在反應(yīng)過程中，向電解液中加入微量金屬離子（如 Sn2?、In3?），通過電沉積在電極表面形成超薄金屬層，調(diào)控界面電子傳輸。例如，在電催化 CO?還原的連續(xù)流系統(tǒng)中，向電解液中加入 0.1mmol/L Sn2?，Sn2?在 Cu 電極表面原位沉積形成 Cu-Sn 合金層，抑制析氫副反應(yīng)，C??產(chǎn)物選擇性從 40% 增至 75%。

      離子液體界面修飾：將離子液體（如 1 - 乙基 - 3 - 甲基咪唑四氟硼酸鹽）涂覆于電極表面，形成穩(wěn)定的界面層。離子液體不僅具有高離子電導(dǎo)率，還可增強(qiáng)反應(yīng)物吸附（如 CO?在離子液體中的溶解度是水的 50 倍以上）。例如，在離子液體修飾的 Ag 電極上，CO?電還原的傳質(zhì)電阻降低 50%，CO 法拉第效率達(dá) 98%，且連續(xù)運(yùn)行 100h 后性能無明顯衰減 。

4.3 界面反應(yīng)環(huán)境的動態(tài)調(diào)控

      通過實(shí)時監(jiān)控與調(diào)節(jié)界面 pH 值、離子濃度，維持界面化學(xué)環(huán)境穩(wěn)定：

       pH 值動態(tài)緩沖系統(tǒng)：在連續(xù)流反應(yīng)器中設(shè)置 pH 監(jiān)測探頭與酸堿滴定裝置，實(shí)時調(diào)節(jié)電解液 pH 值。例如，在電催化還原硝基苯的系統(tǒng)中，通過在線滴加 0.1mol/L H?SO?，將電極表面 pH 值穩(wěn)定在 3-4，避免催化劑氧化，目標(biāo)產(chǎn)物苯胺的選擇性維持在 95% 以上，較無緩沖系統(tǒng)提升 25%。

      電解質(zhì)濃度梯度調(diào)控：采用雙入口流道設(shè)計(jì)，將高濃度電解質(zhì)溶液（如 1mol/L KOH）與反應(yīng)物溶液分別通入反應(yīng)器，在電極表面形成濃度梯度，既保證界面離子電導(dǎo)率，又避免高濃度電解質(zhì)對反應(yīng)的干擾。例如，在電催化氧化葡萄糖制備葡萄糖酸的系統(tǒng)中，該設(shè)計(jì)使界面離子電導(dǎo)率提升 40%，葡萄糖酸收率從 80% 增至 93%。

5 技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證與性能評估

5.1 在有機(jī)電合成領(lǐng)域的應(yīng)用

      以電催化連續(xù)流系統(tǒng)合成苯甲醛（重要化工中間體）為例，采用 “鋸齒形微通道反應(yīng)器 + 分級多孔 Au 電極 + 脈沖流驅(qū)動” 技術(shù)方案：微通道結(jié)構(gòu)縮短擴(kuò)散距離，分級多孔 Au 電極提供充足活性位點(diǎn)，脈沖流破壞擴(kuò)散層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，苯甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá) 98%，苯甲醛選擇性達(dá) 95%，反應(yīng)速率較傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器提升 5 倍，且連續(xù)運(yùn)行 500h 后，電極活性無明顯衰減 。

5.2 在 CO?電還原領(lǐng)域的應(yīng)用

      采用 “膜分離集成型微通道 + Cu-Ni 異質(zhì)結(jié)電極 + 離子液體修飾” 方案，膜分離實(shí)現(xiàn) CO?與產(chǎn)物分離，異質(zhì)結(jié)增強(qiáng) CO?吸附，離子液體改善界面環(huán)境。在電流密度 100mA/cm2 下，CO?轉(zhuǎn)化為 C??產(chǎn)物的選擇性達(dá) 70%，法拉第效率達(dá) 85%，能耗較傳統(tǒng)系統(tǒng)降低 30%，且產(chǎn)物純度達(dá) 99.5%。

5.3 在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用

     針對難降解染料廢水（如羅丹明 B），采用 “超聲場耦合連續(xù)流 + 自支撐 NiFe LDH 電極 + pH 緩沖系統(tǒng)” 方案，超聲場強(qiáng)化傳質(zhì)，自支撐電極提升活性，pH 緩沖維持界面穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，羅丹明 B 去除率達(dá) 99%，COD 去除率達(dá) 92%，處理量較傳統(tǒng)系統(tǒng)提升 4 倍，且無二次污染 。

6 挑戰(zhàn)與未來展望

      盡管電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)在傳質(zhì)強(qiáng)化與界面調(diào)控方面取得顯著突破，但仍面臨以下挑戰(zhàn)：（1）規(guī)?；糯罄щy，微通道反應(yīng)器的通道堵塞問題在大規(guī)模生產(chǎn)中難以規(guī)避；（2）多參數(shù)協(xié)同調(diào)控復(fù)雜，傳質(zhì)、界面反應(yīng)、流體流型等參數(shù)間的耦合機(jī)制尚未明確；（3）成本較高，功能化電極與精密反應(yīng)器的制備成本限制產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

      未來研究方向可聚焦于：（1）開發(fā) “模塊化” 連續(xù)流反應(yīng)器，通過單元化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；唇樱瑫r引入在線清洗系統(tǒng)解決堵塞問題；（2）基于人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)，構(gòu)建多參數(shù)耦合的預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的智能調(diào)控；（3）開發(fā)低成本功能材料（如過渡金屬基催化劑、生物質(zhì)碳電極），降低系統(tǒng)成本；（4）拓展多領(lǐng)域交叉應(yīng)用，如與光伏、風(fēng)電等可再生能源耦合，構(gòu)建 “綠電 - 綠化工” 一體化系統(tǒng)。

產(chǎn)品展示

       SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)主要用于電催化反應(yīng)和光電催化劑的性能評價，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)流和循環(huán)連續(xù)流實(shí)驗(yàn)，配置反應(yīng)液體控溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主要用于光電催化CO2還原反應(yīng)全自動在線檢測系統(tǒng)分析，光電催化、N2催化還原，電催化分析、燃料電池、電解水等。

       SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)將氣路液路系統(tǒng)、光電催化反應(yīng)池、在線檢測設(shè)備等進(jìn)行智能化、微型化、模塊化設(shè)計(jì)并集成為一套裝置，通過兩路氣路和兩路液路的不同組合實(shí)現(xiàn)電催化分析，并采用在線檢測體系對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析?？梢赃m配市面上多數(shù)相關(guān)的電解池，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求定制修改各種電催化池。