连续流技术赋能电催化反应系统构建与优化

  电催化技术在有机合成、能源转化等领域具应用潜力，但传统间歇式电催化系统存在传质低效、反应不均等问题。本文聚焦电催化连续流反应系统，从反应器结构设计、关键组件选型、系统集成三个核心环节展开构建研究，并提出传质、电化学参数及反应条件的协同优化策略。性能测试显示，优化后的系统较传统间歇式反应转化率提升 35%，能耗降低 28%，在精细化工和废水处理领域展现出良好的工业化前景。

1 引言

      电催化反应凭借绿色、条件温和等优势，成为替代传统热催化的关键技术路径。然而传统间歇式电催化反应中，反应物与电极接触不充分，且反应参数难实时调控，导致反应效率低、产物选择性差，规模化应用受阻。连续流技术通过反应体系连续流动实现精准控温与高效传质，与电催化技术融合后，可破解上述瓶颈。当前电催化连续流系统存在反应器适配性不足、组件兼容性差等问题，本文针对性开展系统构建与优化研究，为其工业化落地提供技术支撑。

2 电催化连续流反应系统的构建

2.1 反应器核心结构设计

      反应器作为反应载体，其结构决定传质效率与电场分布。采用 100 - 500μm 内径的微通道设计，增加电极与反应物的比表面积；设计同轴式电极布局，阳极采用管状 Ti/RuO₂涂层电极，阴极选用棒状 Pt/C 修饰石墨电极，保障电场均匀性。同时在通道内设置 30° - 60° 角度、500 - 1000μm 间距的扰流单元，破坏边界层以强化传质。集成的温度控制模块精度达 ±0.5℃，工作压力控制在 0.1 - 1.0MPa，适配多类电催化反应工况。

2.2 关键组件选型

      流体输送选用精度 ±1% 的高精度蠕动泵，流量控制范围 0.1 - 10mL/min，确保进料稳定；电源模块采用 0 - 50V 电压、0 - 10A 电流的直流稳压稳流电源，支持恒压、恒流双模式。此外，配备高效液相色谱与电化学工作站组成的在线检测模块，实时监测反应进程，为参数调整提供数据依据。

2.3 系统集成设计

      采用模块化理念整合进料、反应、检测、收集单元，各单元通过耐腐管路连接，便于拆卸维护。反应流程为：反应物经进料单元计量后，预热至设定温度进入反应单元，在电场作用下反应，产物冷却后一部分进入检测单元，另一部分收集备用。系统增设旁路与回流装置，可实现反应液循环，提升产物收率。

3 系统优化策略

3.1 传质过程优化

      实验证实流速 1 - 5mL/min 时，反应转化率随流速显著提升，超过 5mL/min 后提升趋缓，确定 3 - 5mL/min 为优流速区间。将通道截面由圆形改为矩形，增加湍流程度，使传质系数提升 20% - 25%；在体系中添加适量表面活性剂，降低液 - 固界面张力，促进反应物向电极表面扩散。

3.2 电化学参数调控

      通过单因素实验确定 10 - 15V 电压、50 - 80mA/cm² 电流密度为优参数，此时目标产物收率高。采用 10 - 50Hz 频率、50% - 70% 占空比的脉冲供电模式，替代传统直流供电，减少电极积碳与钝化，使电极稳定性提升 40% 以上，产物选择性提高 15% - 20%。

3.3 反应条件协同优化

      基于响应面法构建模型，以流速、电压、温度为自变量，产物收率为响应值。结果显示温度与电压存在显著协同效应，当温度 40 - 60℃、电压 12 - 14V、流速 4 - 5mL/min 时，系统综合性能优，产物收率超 90%。同时选用 0.1 - 0.5mol/L 硫酸盐或氯酸盐电解质，避免副反应发生。

4 性能验证与应用

      该系统连续运行 72h，转化率维持 92% - 95%，产物选择性稳定在 88% - 90%。在精细化工领域，实现医药中间体连续生产，产物纯度达 99.2%；在废水处理中，对含酚废水降解率超 98%，COD 去除率达 90% 以上，处理后废水达标排放。

5 结论与展望

      本研究构建的电催化连续流反应系统通过结构优化与参数调控，显著提升了反应效率与稳定性。未来可开发新型电极材料与反应器结构，拓展在复杂反应体系的应用，并结合人工智能技术实现反应过程自主调控，推动技术向更高水平发展。

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。