迈向工业级电合成：多层流动反应池的技术演进与挑战

  本文聚焦于多层流动反应池在工业级电合成领域的发展，详细阐述其技术原理、优势及面临的挑战。多层流动反应池通过创新的堆叠式电极设计与流动化学深度融合，在提升反应效率、选择性和空间利用率上成果显著，在精细化工、二氧化碳资源化及废水处理等工业场景应用潜力巨大。但在迈向大规模工业应用进程中，层间干扰、规模化瓶颈及长期稳定性等难题亟待攻克。通过多学科协同创新，开发先进材料、优化工程设计与智能控制策略，多层流动反应池有望突破现有局限，成为工业级电合成的核心技术，推动绿色化学工业的可持续发展。

一、引言

      随着全球对绿色化学和可持续发展的关注度不断提升，工业合成领域正经历深刻变革，寻求更加高效、环保的生产技术成为当务之急。电合成作为一种环境友好且反应路径独特的技术，正受到越来越多的关注。其通过精确控制电极电势驱动化学反应，避免了传统化学合成中大量化学试剂的使用，显著减少了废弃物的产生，为化工生产的绿色转型带来了希望。然而，传统的电化学装置，如单层电化学反应器，在传质效率、反应速率和产物选择性等方面存在一定局限，严重限制了其大规模应用。在单层反应器中，电流分布不均导致部分电极区域反应活性低下，反应物在静态或缓慢流动的电解液中扩散速率缓慢，使得反应效率难以提升，同时副反应频发，产物选择性差。

      多层电合成流动反应池的出现，为突破这些瓶颈提供了新的解决方案。它巧妙地将堆叠式电极结构与流动化学原理相结合，开创了电合成领域的新局面。近年来，随着材料科学、流体力学以及电化学等多学科的交叉融合发展，多层电合成流动反应池在基础研究和实际应用方面均取得了一系列令人瞩目的进展。本文将深入探讨其设计原理、传质强化机制、广泛的应用场景以及在工业推广过程中面临的技术挑战与解决方案，为该领域的进一步研究和工业化应用提供全面的参考。

二、多层流动反应池的工作原理

（1）电化学基础原理

      多层电合成流动反应池的运作根基是经典的电化学理论。当具有一定流速的反应液在外部压力（如蠕动泵提供的压力）作用下，稳定地流入反应池内的流道，并依次流过阳极和阴极表面时，电化学反应随即启动。在阳极，反应物分子失去电子，发生氧化反应；在阴极，反应物分子得到电子，进行还原反应。以常见的有机电合成反应为例，若要将硝基化合物还原为氨基化合物，在阴极表面，硝基（-NO₂）会逐步得到电子，经过亚硝基（-NO）等中间态，最终转化为氨基（-NH₂），其具体的电子转移步骤和反应动力学过程受到电极电势、反应物浓度以及反应温度等多种因素的综合影响。而阳极则可能发生如析氧反应等作为氧化半反应与之匹配，以维持整个电化学反应体系的电荷平衡。在这个过程中，电极电势如同反应的 “开关" 和 “调节器"，精准控制着反应的方向和速率。合适的电极电势能够降低反应的活化能，使反应物分子更容易跨越能垒发生反应；同时，电极表面的微观结构和化学性质也对反应的选择性起着关键作用，不同的电极材料和表面修饰方式会优先促进特定反应路径的进行，从而提高目标产物的生成比例。

（2）多层堆叠式结构优势

      多层堆叠式结构是这类反应池的核心设计亮点。从宏观上看，整个反应池由多个相同或不同功能的反应单元层层堆叠而成，犹如搭建一座精密的 “电化学大厦"。每个反应单元通常包含阳极、阴极以及夹在中间的电解质流道，它们紧密排列，形成一个紧凑且高效的反应空间。在微观层面，各层电极之间的间距经过精心设计，一般处于毫米甚至微米量级，以确保电场能够在各层间均匀分布，同时优化电解液在层间的流动状态。这种紧密的堆叠方式极大地提高了空间利用率，相较于传统的单个反应池，在相同的体积下能够集成更多的反应位点，从而显著提升反应的整体规模和效率。例如，在一些工业级的多层电合成流动反应池中，通过将数十个甚至上百个反应单元堆叠在一起，能够实现每小时数千克的产物生成量，这是传统电化学装置难以企及的。此外，多层结构还赋予了反应池灵活的操作特性，不同层的电极可以根据反应的阶段性需求或不同的反应步骤，独立施加不同的电势，从而实现复杂的串联或并行反应，极大地拓展了电合成反应的种类和应用范围。以精细化工中的多步有机合成为例，在一个多层流动反应池中，前几层电极可以将原料逐步转化为中间产物，后几层电极再对中间产物进行进一步修饰和转化，最终得到目标产物，避免了传统工艺中需要分离和提纯中间产物的繁琐步骤，提高了生产效率和原子经济性。

三、传质强化机制

（1）流道设计创新

      流道作为反应液在反应池内流动的 “高速公路"，其设计对传质效率起着决定性作用。近年来，科研人员在流道设计方面展现出了丰富的创造力，开发出了多种创新结构。其中，仿生流道设计借鉴了自然界中树叶脉络的分形结构，通过巧妙的分支和变径设计，使反应液在流道内能够实现更均匀的流速分布。这种分形流道能够有效避免传统直交流道中容易出现的流速不均和死区问题，让反应液能够更充分地与电极表面接触，从而加速反应物向电极表面的传输以及产物从电极表面的脱离。研究数据表明，采用仿生分形流道的多层电合成流动反应池，其内部反应液的流速均匀性相较于传统直交流道提高了 30%-50%，传质效率相应提升了 2-3 倍。

      另一种具特色的流道设计是气液分离流道，该流道在内部嵌入了疏水多孔膜。在电化学反应过程中，当有气体产物（如氢气、氧气等）生成时，这些气体在浮力和流动剪切力的作用下，会优先向疏水多孔膜迁移，并通过膜的孔隙从反应液中分离出去。这一设计有效解决了气体产物在反应液中积累导致的 “气堵" 问题，维持了反应液的顺畅流动，保证了电极表面始终有新鲜的反应物供应，极大地提升了反应的稳定性和持续运行能力。例如，在电催化水分解制氢反应中，气液分离流道能够及时将产生的氢气排出反应体系，避免氢气气泡在电极表面附着而阻碍反应的进行，使得反应能够长时间稳定运行，电流密度保持在较高水平。

（2）流速与流量调控

      精确调控反应液的流速和流量是优化传质的重要手段。在多层电合成流动反应池中，流速和流量的变化会直接影响反应液与电极表面的接触时间以及反应物和产物的浓度分布。一般来说，适当提高流速能够有效减薄电极表面的扩散层厚度，根据 Nernst 扩散层理论，流速增加时，扩散层厚度可从传统静态体系下的约 100μm 压缩至 10μm 以下，从而显著加快反应物向电极表面的扩散速率，提高反应电流密度。例如，在电催化二氧化碳还原反应中，当反应液流速从 0.5mL/min 提高到 5mL/min 时，二氧化碳的传质速率提升了 5-8 倍，电流密度相应增加了 3-4 倍，产物收率也得到了明显提高。然而，流速并非越高越好，过高的流速可能导致反应液与电极表面的接触时间过短，使得部分反应物来不及发生反应就被带出反应池，反而降低了反应效率。因此，需要根据具体的反应体系和电极特性，通过实验和模拟相结合的方法，找到最佳的流速和流量操作区间，以实现传质效率和反应效率的双重优化。在多层电合成流动反应池中，将三维多孔电极与精心设计的流道相结合，能够进一步发挥二者的协同优势。实验结果表明，在相同的反应条件下，采用三维多孔电极与适配流道组合的反应池，其电流密度相较于传统平板电极与简单流道组合提升了 4-6 倍，反应效率得到了显著提升。三维多孔电具有巨大的比表面积，能够提供更多的反应活性位点，而精心设计的流道则确保了反应液能够充分进入电极的孔隙内部，与活性位点充分接触，同时及时带走反应产物，避免产物在电极表面的积累而导致活性位点的堵塞。

四、工业应用实例

（1）精细化工合成

      在精细化工领域，多层流动反应池展现出了性能。以药物中间体的合成为例，传统工艺中化学还原过程需使用 H₂和贵金属催化剂，成本高昂且会产生大量废水，对环境造成严重污染。而采用多层电合成流动反应池，通过精确调控各层电极的电势，能够实现对反应路径的精准控制，以高选择性和高产率得到目标产物。在合成某关键药物中间体时，多层流动反应池的电流密度可提升至 200-500mA/cm²，相较于传统工艺，反应效率大幅提高，同时避免了贵金属催化剂的使用和废水的产生，降低了生产成本，减少了环境污染。在一些不对称电催化反应中，多层流动反应池同样表现出色。通过采用手性修饰的 Cu 电极（如 L - 脯氨酸修饰），在流动体系中能够实现对映体过量（ee 值）>90% 的高选择性合成，为手性药物的制备提供了高效、绿色的新途径。这种精确的手性控制能力在传统的批量反应体系中是很难实现的，充分体现了多层流动反应池在精细化工复杂合成反应中的优势。

（2）二氧化碳资源化

      随着全球对碳中和目标的追求，二氧化碳资源化利用成为研究热点。多层流动反应池在这一领域展现出巨大潜力。例如，设计双层反应池可实现二氧化碳的高效转化。在第一层，利用 Ag 纳米片催化剂将 CO₂还原为 CO；在第二层，采用 Cu-ZnO 复合催化剂将 CO 进一步转化为 C₂H₄。实验结果表明，该双层反应池在工业相关的电流密度 300mA/cm² 下，C₂H₄的法拉第效率可达 65%，为二氧化碳的资源化利用提供了一种具前景的技术方案。通过多层反应池的设计，可以将原本复杂的多步反应集成在一个紧凑的装置中，实现反应的连续化和高效化，减少了中间产物的分离和传输过程，提高了整体的能源利用效率和经济效益。这种将二氧化碳转化为高附加值化学品的技术，不仅有助于缓解温室气体排放问题，还能为化工行业提供新的原料来源，推动循环经济的发展。

（3）废水处理

      多层流动反应池在废水处理领域也具有重要应用价值。对于含氯有机物等难降解污染物的废水处理，可设计四层串联的反应池。在第一层，通过 Cl⁻氧化产生强氧化性的 Cl₂或 ClO⁻；第二层利用这些强氧化剂产生・OH 自由基；第三层和第四层则利用・OH 自由基对有机物进行矿化分解。实际运行数据表明，采用这种多层反应池结构，对四氯乙烯（PCE）等典型含氯有机物的降解率可超过 99%，且能耗较传统电解法降低 60%。多层反应池能够根据废水处理的不同阶段需求，在不同层实现针对性的反应，逐步将污染物转化为无害物质，同时通过优化流道设计和电极配置，提高了电能的利用效率，降低了处理成本，为工业废水的高效、低成本处理提供了新的技术手段。

五、技术挑战与解决方案

（1）层间干扰与串扰

      随着多层流动反应池层数的增加，层间干扰与串扰问题逐渐凸显。电解液在流经多层时，前一层反应产生的副产物或未反应的物质可能会随着电解液进入下游反应层，对后续反应产生负面影响，导致产物选择性下降或反应效率降低。为解决这一问题，可在层间集成吸附模块，如活性炭滤层，利用活性炭的高吸附性能，去除电解液中的干扰物质，净化电解液，减少其对下游反应的影响。采用离子交换膜隔离不同反应区也是一种有效的方法。例如，在一些反应体系中，不同层可能需要不同的酸碱环境，此时可使用阳离子膜或阴离子膜将不同反应区隔开，阻止离子的无序迁移，维持各层反应环境的稳定性。在设计多层反应池时，应尽量采用模块化设计理念，将多个小型反应池并联，而非单纯增加层数。这样在一定程度上可减少因层数过多导致的层间干扰问题，同时便于对每个模块进行单独的维护和调整，提高整个反应系统的灵活性和可靠性。

（2）规模化放大瓶颈

      在将多层流动反应池从实验室规模向工业级规模放大的过程中，面临诸多挑战。随着反应池规模的增大，流体分布不均的问题愈发严重。在大型多层反应池中，由于流道长度增加、结构复杂度上升，反应液难以均匀地分配到各个流道和反应层，导致部分区域反应液流量不足，电极利用率低，而部分区域流量过大，反应时间过短，整体反应效率下降。为应对这一问题，可借助计算流体力学（CFD）模拟技术，对不同规模和结构的反应池内流体流动情况进行详细模拟分析。通过模拟结果，优化流道的几何参数，如宽度、曲率半径等，设计合理的分流和集流结构，确保反应液能够均匀地分布到各个反应区域。在工业级反应池的制造过程中，可采用 3D 打印技术定制化流道。3D 打印能够实现复杂流道结构的精确制造，根据模拟优化后的设计方案，生产出适应不同规模需求的流道，有效改善流体分布不均的问题，提高反应池的放大效果和工业应用可行性。

（3）长期稳定性

      多层流动反应池在长期运行过程中，催化剂中毒和膜污染等问题会导致其性能逐渐衰减。在电化学反应中，反应体系中的杂质或副产物可能会吸附在催化剂表面，占据活性位点，使催化剂失活，即催化剂中毒。而对于采用了离子交换膜或气液分离膜等膜组件的反应池，长时间运行后，膜表面可能会积累污垢、微生物或其他杂质，导致膜的通透性下降，分离效率降低，即膜污染。为提高催化剂的抗中毒能力，可对催化剂进行表面修饰，采用化学包覆、掺杂等手段，在催化剂表面形成一层保护膜，阻止杂质的吸附，同时保持催化剂的活性位点能够有效接触反应物。定期对催化剂进行再生处理，如采用化学清洗、热活化等方法，去除催化剂表面的杂质，恢复其活性。对于膜污染问题，可选择抗污染性能好的膜材料，如具有特殊表面电荷或亲疏水性质的膜，减少杂质在膜表面的吸附。在反应系统中设置预处理单元，对进入反应池的电解液进行过滤、除杂等预处理，降低杂质对膜的污染风险。建立在线监测系统，实时监测膜的性能参数，如通量、分离效率等，当膜性能下降到一定程度时，及时进行清洗或更换膜组件，确保反应池的长期稳定运行。

六、结论与展望

      多层电合成流动反应池通过独特的堆叠式电极结构与流动化学的深度融合，在提升反应效率、选择性和空间利用率方面展现出显著优势，在精细化工、二氧化碳资源化、废水处理等众多工业领域展现出广阔的应用前景。然而，要实现其在工业级电合成中的广泛应用，仍需克服层间干扰、规模化放大和长期稳定性等一系列技术挑战。通过多学科的协同创新，如材料科学领域开发更高效、稳定且抗干扰的电极材料和膜材料，工程设计领域借助先进的模拟技术优化反应池结构和流道设计，以及自动化控制领域构建智能监测与调控系统，多层流动反应池有望突破现有局限，成为工业级电合成的核心技术装备。未来，随着相关技术的不断进步，多层流动反应池不仅将推动传统化学工业向绿色、高效方向转型升级，还可能催生新的化学反应路径和工业生产模式，为实现可持续发展的目标提供强有力的技术支撑。

产品展示

     SSC-ECFN8030多层电合成流动反应池，将多组电池串联使用，验证产业化应用模型，可快速实现电催化的产业化应用。电池流道设计简单有效，便于组装一体，具有高效率、高稳定、长寿命的特性，适用于气液流动条件下的电催化反应，用于电化学合成、电催化二氧化碳、电催化合成氨、电合成双氧水等。

产品优势：

1)池体采用双密封技术，密封效果极加，不漏液。

2)流道材质根据客户使用情况可以选择，钛合金，石墨或镀金可选。

3)多种流道可以选择，标配为蛇形通道，根据实验需求可以定做不同流动样式。

4)多电池组合使用，采用特殊的流道设计，气体串连，提高产物产率。

5)电极有效活性面积可选择行多。

6)管路接头均为标准接头，可选择多种管路 。

7)可根据需求定制各种池体结构。