一、CO₂转化的挑战与流动池技术的定位

1. 全球碳中和背景下的 CO₂转化需求

     CO₂过量排放引发的气候危机，驱动电催化 CO₂还原（ECR）技术成为碳循环核心路径。

     ECR 的关键瓶颈：传质效率低（CO₂在电解液中溶解度有限）、产物选择性差（多路径竞争反应）、长期稳定性不足（电极易中毒或腐蚀）。

2. 流动池技术的破局价值

     区别于传统 H 型电解池，流动池通过强制电解液流动优化传质，结合结构化反应界面设计，成为突破传质限制的核心工具。

     数据支撑：流动池可将 CO₂传质速率提升至传统体系的5–10 倍，显著提高电流密度与产物收率。

二、流动池技术的核心原理与结构创新

1. 基础原理：传质强化与界面调控

流动动力学优势：

     层流或湍流设计减少扩散层厚度（Nernst 扩散层从～100 μm 压缩至 < 10 μm），加速 CO₂向电极表面传输。

     典型案例：零间距流动池（Zero-gap flow cell）通过极间距压缩（<1 mm）与高速液流，实现传质效率最大化。

多物理场耦合效应：

     流动诱导的剪切力可抑制气泡附着（如析氢副反应产生的 H₂气泡），维持电极活性位点暴露。

2. 结构设计的关键维度

组件	传统电解池	流动池创新设计	技术优势
流道结构	简单直管或无强制流动	蛇形、叉指形、3D 打印多孔流道	调控流速分布，避免死体积
电极构型	平板电极	多孔电极、三维电极（如泡沫金属）	增大活性表面积，强化气 - 液 - 固三相接触
膜材料	质子交换膜（PEM）	阴离子交换膜（AEM）/ 双极膜	优化离子传导路径，抑制副反应
压力控制	常压操作	高压流动（1–5 bar）	提升 CO₂溶解度，突破亨利定律限制

 

3. 典型流动池类型与应用场景

     水平流动池：适用于原位表征（如原位红外、拉曼光谱），便于光学窗口观测反应界面。

    垂直流动池：适合高电流密度工业场景（如电解槽堆叠），可集成热管理系统维持反应温度。

    微流控流动池：纳米级流道精准调控传质，用于机理研究（如单个催化剂颗粒的 CO₂还原路径分析）。

三、流动池技术在电催化 CO₂转化中的关键应用

1. 高附加值产物合成：从 C1 到 Cn 的跨越

C1 产物（CO、HCOOH）：

     案例：InSituFlow 公司开发的流动池搭配 Ag 电极，CO 法拉第效率达 95%，电流密度提升至 500 mA/cm²（传统体系仅 50 mA/cm²）。

C2 + 产物（乙烯、乙醇、丙醇）：

      挑战：C–C 偶联需要高密度活性位点与精准传质控制。

     突破：流动池结合 Cu 基三维电极，乙烯收率提升至传统体系的 3 倍，局部 CO₂浓度梯度降低 40%。

2. 与可再生能源耦合的工业化场景

光伏 - 流动池集成系统：

     设计要点：流动池的低欧姆压降（<100 mΩ・cm²）适配光伏波动电源，实现 “绿电驱动 CO₂转化”。

     示范项目：美国 Lawrence Berkeley 国家实验室搭建的 100 L 级流动池系统，日处理 CO₂量达 5 kg，产物甲醇纯度 > 99%。

3. 原位表征技术与机理解析

流动池的 “动态观察窗” 功能：

      联用技术：原位 X 射线吸收光谱（XAS）+ 流动池，实时追踪催化剂价态变化（如 Cu⁺/Cu⁰在 CO₂还原中的动态演变）。

      数据价值：揭示流动速率与中间体（如 * CO、*OCHO）吸附行为的关联，指导催化剂设计。

四、挑战与未来发展方向

1. 当前技术瓶颈

      材料耐久性：高速流动电解液对电极 / 膜材料的冲刷腐蚀（如碳载催化剂的脱落问题）。

      放大效应：实验室级流动池的优异性能难以直接复现于千升级装置，流道均质性控制困难。

      成本与能效：高压泵送系统的能耗占比可达总能耗的 15–20%，需平衡传质强化与能效优化。

2. 创新路径展望

     仿生流动设计：模拟生物血管网络的分级流道，实现微尺度传质均一性与宏尺度流量调控的协同。

     智能响应材料：开发 pH / 电位响应型流道涂层，动态调节表面润湿性以适应反应阶段（如 CO₂吸附期 vs. 产物脱附期）。

     人工智能辅助优化：机器学习模型预测流动参数（流速、压力、温度）与产物分布的映射关系，实现全自动工艺优化。

五、结论：流动池技术的里程碑意义与产业化展望

     流动池技术通过传质革命与结构创新，重新定义了电催化 CO₂转化的效率边界，成为连接实验室机理研究与工业化应用的桥梁。未来，随着跨学科技术融合（如微纳制造、智能传感），流动池有望推动 CO₂转化从 “概念验证” 迈向 “规模量产”，为全球碳中和目标提供核心技术支撑。

产品展示

 

       SSC-ECF80系列电合成微通道流动池，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)   电极有效活性面积可选择行多。

5)   管路接头均为标准接头，可选择多种管路。

6)   可根据需求定制各种池体结构。