面向可持续合成的电催化连续流技术：设计策略、应用案例与发展方向

一、技术核心：电催化与连续流的协同优势

      电催化连续流技术通过流体动态调控与电催化体系的深度耦合，突破传统批次反应的传质、传热与稳定性瓶颈，其核心优势体现在三方面：

1. 传质强化：流动态消除催化剂表面扩散限制，如 CO₂电还原中局部反应物浓度可提升 3 倍以上；微通道反应器使传质系数提高 40%，电流密度达传统设备的 2 倍。

2. 热管理优化：连续流实时带走反应热，甲醇电氧化中温度波动可控制在 ±2℃内，避免催化剂烧结。

3. 稳定性提升：流体剪切力抑制积碳、氢氧化物沉积，使 Pt 基催化剂在酸性体系中寿命延长 3 倍。

二、设计策略：从结构到体系的多维优化

（一）反应器结构创新

1. 微通道设计：采用 50-200μm 微米级通道增强湍流，在电催化析氢中实现高效传质；蛇形、树枝状等异形通道可进一步优化流场分布。

2. 三维电极集成：将催化剂负载于泡沫镍、碳纳米管阵列等 3D 多孔基体（比表面积 100-500 m²/g），结合错流强化活性位点暴露。

3. 膜电极组装（MEA）：如固态电解质电解槽（MEA-SSE），在 H₂O₂合成中实现 2V 低电压驱动，提升能量效率。

（二）流体动力学调控

1. 参数精准匹配：通过 CFD 模拟优化流速，如硝基苯还原中 0.5 m/s 线速度使转化率从 60% 升至 92%。

2. 多相流协同：气 - 液 - 固三相流动强化 O₂、H₂等气体溶解，适配氧还原（ORR）等反应。

（三）催化体系耦合

1. 电解质工程：采用三氟甲磺酸盐等高电导流动电解质，CO 还原法拉第效率达 95% 以上；通过 pH 动态调节维持催化剂最佳反应环境。

2. 高活性催化剂设计：如酞菁镍基共价有机框架（BBL-PcNi），通过 π 共轭增强电子传输，实现 100% 法拉第效率与 200 小时稳定运行。

三、应用案例：可持续合成的典型场景

四、发展方向：挑战与前沿突破

（一）当前核心挑战

1. 放大效应瓶颈：实验室微尺度体系升级时，面临流速均匀性、压降控制等工程问题。

2. 成本控制难题：贵金属催化剂（如 Pt）与反应器加工成本较高，限制规模化应用。

3. 多参数匹配复杂度：流速、温度、电解质组成等参数需动态协同优化。

（二）未来技术路径

1. 智能化调控：结合机器学习实时优化反应参数，实现催化剂性能动态适配。

2. 多技术集成：耦合膜分离、原位 XRD / 拉曼表征，深化机理研究与工艺优化。

3. 低维材料应用：拓展 COF、MOF 等多孔催化材料，提升选择性与稳定性。

4. 模块化放大：开发多池并联技术，解决微通道反应器规模化难题。

五、总结

      电催化连续流技术通过 “动态过程优化" 替代传统 “静态材料设计"，在 CO₂转化、绿色合成氨等可持续领域展现出潜力。未来需以反应器放大、智能调控与低成本催化材料为核心突破点，推动其从实验室走向工业应用，为双碳目标下的化学合成提供关键技术支撑。

产品展示

       SSC-PECRS电催化连续流反应系统主要用于电催化反应和光电催化剂的性能评价，可以实现连续流和循环连续流实验，配置反应液体控温系统，实现主要用于光电催化CO2还原反应全自动在线检测系统分析，光电催化、N2催化还原，电催化分析、燃料电池、电解水等。

     SSC-PECRS电催化连续流反应系统将气路液路系统、光电催化反应池、在线检测设备等进行智能化、微型化、模块化设计并集成为一套装置，通过两路气路和两路液路的不同组合实现电催化分析，并采用在线检测体系对反应产物进行定性定量分析。可以适配市面上多数相关的电解池，也可以根据实验需求定制修改各种电催化池。

● 将光源、电化学工作站、电催化反应池、管路切换和气相色谱模块化集成化系统化；

● PLC控制系统集成气路、液路控制、温度控制、压力控制、阀体切换、流路显示等；

● 主要用于半导体材料的光电催化流动相CO2还原反应活性评价等；

● 用于半导体材料的光电催化流动相H2O分解产氢、产氧活性评价、N2还原、电催化等；

● 微量反应系统，极低的催化剂用量；

● 导电电极根据需要可表面镀金、钯或铂，导电性能佳，耐化学腐蚀；

● 标配光电反应池，可实现两室三电极体系或三室三电极体系，采用纯钛材质，耐压抗腐蚀

● 可适用于气-固-液三相界面的催化反应体系，也可适用于阴阳极液流循环反应系统；

● 测试范围广，CO2、CO、CH4、甲醇、氢气、氧气、烃类等微量气体。