一、引言

      随着全球工业化进程的加速，CO₂排放过量引发的气候危机日益严峻。据国际能源署（IEA）数据显示，近年来全球 CO₂年排放量持续攀升，对生态环境和人类社会可持续发展构成严重威胁。在此背景下，实现 CO₂的资源化利用成为应对气候变化的关键策略之一。

      电催化 CO₂还原（ECR）技术作为 CO₂资源化利用的重要途径，具有反应条件温和、可利用可再生能源等优势，备受关注。然而，传统电催化体系在 CO₂转化过程中面临诸多挑战，如传质效率低（CO₂在电解液中溶解度有限）、产物选择性差（多路径竞争反应）以及长期稳定性不足（电极易中毒或腐蚀）等问题，严重制约了其工业化应用进程。

      流动电化学技术的出现为突破上述瓶颈提供了新的解决方案。与传统的静态电解池不同，流动电化学系统通过强制电解液流动，优化了反应体系的传质过程，结合结构化反应界面设计，显著提升了 CO₂的转化效率和产物选择性，成为推动 CO₂资源化利用从实验室走向工业化的核心驱动力。本文将详细阐述流动电化学技术助力 CO₂资源化利用高效转化的原理、应用及发展前景。

二、流动电化学技术基础原理

2.1 传质强化

      在电催化 CO₂还原反应中，传质过程是影响反应速率和效率的关键因素。CO₂在水溶液中的溶解度较低，且其扩散速率缓慢，导致电极表面 CO₂浓度难以维持在较高水平，限制了反应的进行。流动电化学技术通过引入电解液的强制流动，有效改善了这一状况。

      在流动池中，电解液的流动能够打破 CO₂在电极表面形成的浓度边界层，使 CO₂能够更快速地传输到电极表面参与反应。根据流体动力学原理，层流或湍流设计可使 Nernst 扩散层厚度从传统体系的～100μm 压缩至 < 10μm，极大地加速了 CO₂的传质速率。例如，零间距流动池通过将极间距压缩至 < 1mm，并采用高速液流，实现了传质效率的最大化，可将 CO₂传质速率提升至传统体系的 5 - 10 倍，显著提高了电流密度与产物收率。

      此外，流动诱导的剪切力可抑制气泡附着在电极表面。在电催化反应过程中，析氢等副反应产生的气泡会占据电极活性位点，降低反应效率。而流动电解液产生的剪切力能够及时将气泡带走，维持电极活性位点的充分暴露，有利于 CO₂的持续还原反应。

2.2 界面调控

      除了传质强化，流动电化学技术还能够对反应界面进行有效调控，从而优化反应性能。通过设计不同的流动池结构和电极配置，可以实现对反应界面处电场、温度、pH 值等物理化学参数的精确控制。

      以垂直流动池为例，其结构设计适合高电流密度的工业场景，如电解槽堆叠。在这种构型中，电解液垂直于电极表面流动，能够实现更均匀的物质传输和电流分布。同时，垂直流动池可集成热管理系统，通过控制电解液的温度，维持反应在适宜的温度范围内进行，避免因反应放热导致的温度过高而影响电极性能和产物选择性。

      微流控流动池则利用微通道的特殊结构和流体力学特性，在纳米级尺度上精准调控传质过程。这种微小尺度的流动池特别适用于机理研究，例如可以对单个催化剂颗粒的 CO₂还原路径进行分析。通过精确控制微流控通道内的流速、流量等参数，能够创造出高度均一且可控的反应微环境，为深入理解 CO₂电催化还原反应机理提供了有力工具。

三、流动电化学在 CO₂资源化利用中的关键应用

3.1 高附加值产物合成

      流动电化学技术在 CO₂转化为高附加值化学品方面展现出巨大潜力，能够实现从 C1 产物到 Cn 多碳产物的高效合成。

在 C1 产物合成方面，InSituFlow 公司开发的流动池搭配 Ag 电极，取得了显著成果。实验数据表明，该体系中 CO 的法拉第效率高达 95%，电流密度提升至 500mA/cm²，而传统体系中电流密度仅为 50mA/cm²。这一突破得益于流动池对传质的优化，使 CO₂能够更高效地转化为 CO。

      对于多碳产物的合成，流动池技术同样具有明显优势。研究人员通过将流动池与 Cu 基三维电极相结合，实现了乙烯收率的大幅提升，相较于传统体系提高了 3 倍。进一步分析发现，流动池能够有效降低局部 CO₂浓度梯度，降幅可达 40%。这有助于减少反应中间体的扩散限制，促进 C - C 偶联反应的发生，从而提高多碳产物的生成效率和选择性。

3.2 与可再生能源耦合的工业化场景

      随着全球对可再生能源的大力开发和利用，将流动电化学 CO₂转化技术与可再生能源（如太阳能、风能）相结合，构建绿色低碳的工业生产模式，具有广阔的应用前景。

      流动池的低欧姆压降（<100mΩ・cm²）特性使其能够很好地适配光伏等波动电源。在实际应用中，利用太阳能光伏发电产生的电能驱动流动池中的 CO₂转化反应，实现 “绿电驱动 CO₂转化”。这种耦合方式不仅能够有效利用可再生能源，减少碳排放，还能将间歇性的电能以化学能的形式储存于 CO₂转化产物中，如合成燃料或高附加值化学品。

      美国 Lawrence Berkeley 国家实验室搭建的 100L 级流动池系统，便是这一应用场景的成功示范。该系统日处理 CO₂量可达 5kg，产物甲醇纯度 > 99%。通过将流动电化学技术与可再生能源相结合，实现了 CO₂的大规模资源化利用，为工业化生产提供了可行的技术方案。

四、流动电化学技术的研究进展

4.1 新型流动池结构开发

      近年来，为了进一步提升流动电化学系统在 CO₂转化中的性能，科研人员开发了多种新型流动池结构。

      薄层流动池通过减小电解液层的厚度，有效缩短了 CO₂和产物的扩散路径。这不仅提高了传质效率，还降低了溶液电阻，减少了能量损耗。在实际应用中，薄层流动池能够在较低的电压下实现高效的 CO₂转化，提高了能量利用效率。

       微流控流动池则利用微通道的特殊结构和流体力学特性，实现了对反应过程的精确控制。在微流控芯片中，通过设计不同形状和尺寸的微通道，可以精确调控电解液的流速、流量以及反应物质的浓度分布。这种精确控制能力使得微流控流动池在研究 CO₂电催化还原反应机理方面具有独特优势，能够为优化反应条件和开发新型催化剂提供重要的实验数据支持。

      气体扩散电极（GDE）型流动池由于其独特的气体扩散层设计，成为 CO₂转化领域的研究热点之一。在 GDE 型流动池中，CO₂气体可直接通过气体扩散层与催化剂表面接触，避免了 CO₂在电解液中的溶解损失，大大提高了 CO₂的利用效率。同时，GDE 型流动池能够有效抑制析氢反应等副反应的发生，提高目标产物的选择性。例如，西安交通大学化工学院马明特聘研究员团队利用 GDE 型的流动电解池，在没有 CO 传质限制的情况下，深入探究了阳离子的种类对 CO 电还原过程中 C₂+ 产物选择性的影响，为深入理解催化反应机制提供了新的见解。

4.2 电极材料创新

      电极材料是流动电化学系统的核心组成部分，其性能直接决定了 CO₂转化的效率和选择性。为了满足流动电化学技术对电极材料的高性能要求，科研人员在新型电极材料的研发方面取得了一系列重要进展。

      一方面，通过对传统催化剂进行优化改性，提高其催化活性和稳定性。例如，采用纳米技术制备具有特殊结构和电子性质的纳米材料，如纳米管、纳米线、多孔结构等，能够显著增加催化剂的比表面积和活性位点，提高催化性能。同时，通过对催化剂表面进行修饰，调控其电子结构和表面化学性质，进一步优化催化剂对 CO₂还原反应的选择性。

      另一方面，开发新型催化剂体系成为研究的重点方向之一。例如，合金催化剂通过将两种或多种金属元素组合，能够产生协同效应，调节催化剂的电子结构和表面性质，从而改善催化性能。Au - Cu 合金催化剂在提高 CO₂还原产 C₂+ 产物的选择性方面表现出良好的潜力。此外，金属氧化物催化剂（如 ZnO、SnO₂等）对 CO₂具有较强的吸附能力，能够促进 CO₂的活化，在特定条件下也展现出较好的催化性能。非金属催化剂（如碳基材料、有机分子催化剂等）由于其成本低、环境友好等优点，也在电催化 CO₂转化领域展现出一定的应用前景。

      为了提高电极的整体性能，将催化剂与载体材料进行复合也是重要的研究手段。载体材料不仅能够提高催化剂的分散性和稳定性，还能通过与催化剂之间的相互作用调节其电子结构，进一步提升催化活性和选择性。例如，将金属催化剂负载在具有高导电性和良好化学稳定性的碳纳米管、石墨烯等碳基材料上，能够有效提高电极的导电性和抗腐蚀性能，从而提升 CO₂转化效率和稳定性。

4.3 原位表征技术应用

      为了深入理解流动电化学体系中 CO₂转化反应的机理，实时监测反应过程中的动态变化，原位表征技术在相关研究中得到了广泛应用。原位表征技术能够在反 应条件下对电极表面的结构、组成、电子状态以及反应中间体等进行直接观测，为揭示反应机制、优化催化剂设计和反应条件提供关键信息。

      原位红外光谱是常用的原位表征技术之一，它可以实时监测 CO₂还原过程中反应中间体的生成与转化，从而推断反应路径。通过分析红外光谱中特征吸收峰的位置和强度变化，能够确定不同反应中间体的存在及其相对浓度，进而深入了解反应的动力学过程和反应机理。

      原位 X 射线吸收光谱能够提供催化剂在反应过程中的电子结构和配位环境变化信息，有助于深入理解催化剂的活性位点和反应机理。例如，通过监测 X 射线吸收近边结构（XANES）和扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）的变化，可以研究催化剂在 CO₂还原反应过程中金属原子的价态变化、配位数以及键长等结构信息，为优化催化剂的设计提供重要依据。

      厦门大学化学化工学院王野、谢顺吉教授团队结合安培级电流密度下膜电极模式的工况 XRD、XAS、拉曼光谱表征和同位素示踪等研究，证实了反应过程中 Cu⁺可稳定存在，并揭示了 Cu⁺促进水活化和 C - C 偶联生成 C₂+ 化合物的催化作用机制，为提高膜电极电解池中 CO₂还原制 C₂+ 化合物的性能提供了理论依据。这些原位表征技术的应用，极大地推动了流动电化学 CO₂转化技术的发展，为实现高效、稳定的 CO₂资源化利用提供了坚实的理论基础。

五、挑战与展望

      尽管流动电化学技术在 CO₂资源化利用的高效转化方面取得了显著进展，但要实现大规模工业化应用，仍面临诸多挑战。

     在材料耐久性方面，高速流动的电解液对电极和膜材料存在冲刷腐蚀问题，如碳载催化剂在流动电解液的作用下容易发生脱落，导致电极活性下降和催化剂寿命缩短。这需要进一步开发新型的耐腐蚀材料和优化电极制备工艺，以提高电极和膜材料在流动体系中的稳定性和使用寿命。

      流动体系中的传质均一性与流量调控也是需要解决的关键问题。在大规模工业化应用中，如何确保电解液在整个流动池中实现均匀的流动和传质，避免出现局部传质受限或流量不均的情况，是提高反应效率和产物一致性的重要前提。仿生流动设计为解决这一问题提供了新的思路，通过模拟生物血管网络的分级流道结构，有望实现微尺度传质均一性与宏尺度流量调控的协同优化。

      此外，开发智能响应材料也是未来研究的重要方向之一。例如，设计 pH / 电位响应型流道涂层，使其能够根据反应过程中的 pH 值或电位变化动态调节表面润湿性，以适应不同反应阶段的需求（如 CO₂吸附期与产物脱附期），从而进一步提高反应效率和产物选择性。

      在工艺优化方面，人工智能辅助优化技术具有巨大潜力。利用机器学习模型可以预测流动参数（流速、压力、温度）与产物分布之间的映射关系，通过对大量实验数据和模拟结果的学习和分析，实现对流动电化学工艺的全自动优化，提高工艺开发的效率和准确性。

      展望未来，随着跨学科技术的深度融合，如微纳制造技术为新型流动池结构和电极材料的制备提供更精确的加工手段，智能传感技术实现对反应过程的实时监测和反馈控制，流动电化学技术有望推动 CO₂转化从 “概念验证” 迈向 “规模量产” 阶段，为全球碳中和目标的实现提供核心技术支撑，在应对气候变化和推动可持续发展方面发挥重要作用。

产品展示

      SSC-PEFC20光电流动反应池实现双室二、三、四电极的电化学实验，可以实现双光路照射，用于半导体材料的气-固-液三相界面光电催化或电催化的性能评价，可应用在流动和循环光电催化N2、CO2还原反应。反应池的优势在于采用高纯CO2为原料气可以直接参与反应，在催化剂表面形成气-固-液三相界面的催化体系，并且配合整套体系可在流动相状态下不断为催化剂表面提供反应原料。

      SSC-PEFC20光电流动反应池解决了商业电催化CO2还原反应存在的漏液、漏气问题，采用全新的纯钛材质池体，实现全新的外观设计和更加方便的操作。既保证了实验原理的简单可行，又提高了CO2还原反应的催化活性，为实现CO2还原的工业化提供了可行方案。

 产品优势：

      ● 半导体材料的电化学、光电催化反应活性评价；

      ● 用于CO2还原光电催化、光电解水、光电降解、燃料电池等领域；                

      ● 微量反应系统，极低的催化剂用量；

      ● 配置有耐150psi的石英光窗；

      ● 采用纯钛材质，耐压抗腐蚀；

      ● 导电电极根据需要可表面镀金、钯或铂，导电性能极佳，耐化学腐蚀；

      ● 光电催化池可与光源、GC-HF901（EPC）、电化学工作站、采样系统、循环系统配合，搭建光电催化CO2还原系统，实现在线实时测试分析。