一、引言

      在现代化学合成领域，提升反应效率、增强过程可控性以及实现绿色可持续发展是核心追求。电化学合成作为一种环境友好且具有独特反应路径的技术，正受到越来越多的关注。然而，传统的电化学装置在传质效率、反应速率和产物选择性等方面存在一定局限，限制了其大规模应用。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。

     多层电合成流动反应池通过巧妙设计堆叠式电极结构，并将流动化学原理与电化学过程深度融合，展现出卓越的性能优势。当反应液在外部压力驱动下有序地 流经各层电极表面时，电极所施加的精确电势能够促使反应物高效地发生氧化还原反应，进而实现目标产物的生成。这种独特的设计不仅能够依据反应的具体需求，对各层电极的电势进行独立调控，从而完成复杂的电合成反应，还能借助流动反应液持续不断地补充反应物、及时带走产物，确保反应始终处于高效进行的状态。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、传质强化机制以及广泛的应用场景，为该领域的进一步研究和工业化推广提供全面的参考。

二、工作原理与结构基础

2.1 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。

2.2 多层堆叠式结构特点

      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。

三、传质强化机制

3.1 流体动力学优化

3.1.1 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。另一种极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。

3.1.2 流速与流量控制

      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 0.5 mL/min 提高到 5 mL/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。在实际应用中，通常会采用高精度的蠕动泵或注射泵来精确控制反应液的流速和流量，并结合在线监测设备（如电化学工作站、浓度传感器等）实时反馈调整，确保反应始终在最优条件下进行。

3.2 电极与流道协同作用

3.2.1 三维多孔电极与流道适配

      三维多孔电极因其具有极大的比表面积和丰富的内部孔隙结构，为电化学反应提供了大量的活性位点，成为提升电极性能的关键材料。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。以碳纤维泡沫负载纳米 Pt 颗粒构成的三维多孔电极为例，其比表面积可达 1000 m²/g 以上，相较于传统平板电极，能够提供数十倍甚至上百倍的活性位点，极大地提高了电化学反应速率。同时，流道的设计需要充分考虑与三维多孔电极的适配性。流道的尺寸、形状和布局要确保反应液能够均匀地渗透进入电极的内部孔隙结构，使电极内部的活性位点都能充分参与反应。例如，采用微通道或多孔介质流道与三维多孔电极配合，反应液在压力驱动下能够像 “毛细血管” 一样深入电极内部，实现反应物在电极内部的高效传输和分布，避免了电极内部出现反应物浓度梯度过大的问题，从而使整个电极的活性得到充分发挥。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。

3.2.2 电极表面改性对流道内流体的影响

      对电极表面进行改性不仅能够改变电极自身的催化性能，还会对流道内流体的流动特性和传质过程产生重要影响。其中，疏水涂层（如聚四氟乙烯 PTFE 涂层）的应用是一种常见且有效的表面改性方式。在电化学反应过程中，尤其是涉及气体生成的反应（如析氢、析氧反应），气体产物容易在电极表面形成气泡并附着，这些气泡不仅会占据电极的活性位点，降低电极的有效反应面积，还会阻碍反应液在电极表面的流动，导致传质效率下降。而经过疏水涂层改性的电极表面，由于其对气体具有较强的排斥作用，能够使生成的气泡更容易脱离电极表面，快速进入流道并被反应液带走，有效抑制了 “气堵” 现象的发生。此外，电极表面的电荷性质和粗糙度等物理化学性质的改变，也会影响流道内流体的流动状态。例如，通过在电极表面引入特定的电荷基团，能够利用静电作用引导反应液中带电离子的迁移方向，优化反应物在电极表面的浓度分布，从而提高反应的选择性和效率。在一些电催化有机合成反应中，经过表面电荷调控改性的电极，能够使目标产物的选择性提高 20% - 30%，展现出电极表面改性对流道内流体传质和反应性能的显著优化作用。

四、关键设计要素

4.1 电极材料选择与优化

4.1.1 高活性催化剂设计

      在多层电合成流动反应池中，电极材料的催化活性直接决定了反应的速率和效率。为了满足日益增长的高效电合成需求，科研人员致力于开发具有高活性的催化剂。其中，三维多孔结构的电极材料因其独特的物理化学性质，成为研究热点之一。以碳纤维泡沫负载纳米 Pt 颗粒的三维多孔电极为例，这种电极通过将纳米级的 Pt 颗粒均匀分散在碳纤维泡沫的三维网络结构上，充分发挥了 Pt 的高催化活性和碳纤维泡沫的大比表面积优势。纳米 Pt 颗粒作为催化活性中心，能够显著降低电化学反应的活化能，加速反应物分子的电子转移过程。而碳纤维泡沫不仅为 Pt 颗粒提供了稳定的支撑载体，防止其团聚失活，还通过其丰富的孔隙结构，极大地增加了电极与反应液的接触面积，使更多的反应物分子能够在电极表面快速发生反应。实验数据表明，相较于传统的平板 Pt 电极，这种三维多孔电极在电催化反应中的电流密度可提升 4 - 6 倍，展现出卓越的催化活性。此外，通过对 Pt 颗粒的尺寸、分布以及碳纤维泡沫的孔隙率等参数进行精细调控，可以进一步优化电极的催化性能，使其更好地适应不同的电合成反应需求。

      除了负载型纳米催化剂，开发新型的单原子催化剂也是提高电极活性的重要方向。单原子催化剂将金属原子以单个原子的形式分散在载体表面，实现了金属原子的最大原子利用率，同时由于单原子独特的电子结构和配位环境，使其在某些电化学反应中表现出优异的催化活性和选择性。例如，在电催化二氧化碳还原反应中，以氮掺杂石墨烯为载体的单原子铜催化剂，能够精准地调控二氧化碳分子的吸附和活化方式，将二氧化碳高效地转化为一氧化碳或甲酸等产物，其对一氧化碳的选择性可高达 90% 以上，且在较低的过电位下就能实现高电流密度的反应，为二氧化碳的资源化利用提供了极具潜力的解决方案。

4.1.2 表面功能化处理

      对电极表面进行功能化处理是优化电极性能的另一个关键手段。表面功能化可以改变电极表面的物理化学性质，如润湿性、电荷分布和表面能等，从而对电化学反应过程产生积极影响。其中，疏水涂层处理在涉及气体生成的电化学反应中具有重要应用价值。在电催化反应过程中，当有气体产物（如氢气、氧气等）生成时，这些气体容易在电极表面形成气泡并附着，导致电极表面的活性位点被占据，反应液与电极的接触受阻，传质效率下降，严重时甚至会出现 “气堵” 现象，使反应无法正常进行。而在电极表面涂覆聚四氟乙烯（PTFE）等疏水材料后，电极表面的润湿性发生显著改变，对气体的亲和力降低，使得生成的气泡更容易从电极表面脱离，快速进入流道并被反应液带走。实验结果表明，经过 PTFE 疏水涂层处理的电极，在析氢反应中，气泡在电极表面的平均停留时间可缩短至原来的 1/3 - 1/5，有效提高了电极的活性位点利用率和反应的持续稳定性，电流密度可提升 20% - 30%。

      此外，通过在电极表面引入特定的官能团或进行表面电荷调控，能够改变电极表面与反应物分子之间的相互作用方式，优化反应物在电极表面的吸附和反应路径，从而提高反应的选择性。例如，在电催化有机合成反应中，在电极表面修饰带有正电荷的氨基基团，能够通过静电吸引作用，使带负电荷的反应物分子优先在电极表面富集，增加其在活性位点附近的浓度，促进目标反应的进行，提高目标产物的生成比例。研究发现，在某些有机电合成反应中，经过表面电荷调控功能化处理的电极，目标产物的选择性可提高 30% - 40%，展现出表面功能化处理在提升电极性能方面的巨大潜力。

4.2 流道工程设计

4.2.1 微流控与宏观流道结合

      在多层电合成流动反应池中，流道的设计需要兼顾微观尺度的精确控制和宏观尺度的高效传输。微流控技术因其能够在微米级别的通道内实现对流体的精确操控，为流道设计带来了新的思路。将微流控结构与宏观流道相结合，能够充分发挥二者的优势，实现对反应过程的精细化调控。在微观层面，微流控通道的尺寸通常在几十微米到几百微米之间，这种微小的尺度赋予了流体独特的流动特性，如层流现象显著，不同流体在微通道内能够以稳定的层流形式流动，互不干扰。利用这一特性，可以通过设计复杂的微通道网络，实现对反应物的精准输送和混合，在微观尺度上优化反应条件。例如，通过精确控制微通道内不同反应物的流速和流量比，能够在局部区域形成特定的浓度梯度和反应环境，提高目标产物的选择性。在一些电催化合成手性分子的反应中，利用微流控通道的精确控制能力，能够实现对手性试剂的精准添加和反应环境的精准调控，从而将目标手性产物的对映体过量值（ee 值）提高到 90% 以上。

      在宏观尺度上，流道的设计则侧重于保证反应液的整体流量和均匀分布，以满足大规模反应的需求。宏观流道通常具有较大的尺寸和较高的流量承载能力，能够将大量的反应液高效地输送到各个微流控单元或电极表面。通过优化宏观流道的形状、尺寸和连接方式，可以减少流体的压力损失，提高流体的输送效率。例如，采用蛇形或螺旋形的宏观流道设计，能够增加反应液在流道内的停留时间，使其与电极充分接触，同时避免出现死区和流速不均的问题。此外，还可以通过在宏观流道中设置混合器、分流器等结构，进一步优化反应液的混合和分布效果，提高整个反应体系的传质效率和反应均匀性。

4.2.2 流道材料与表面性质调控

      流道材料的选择以及对其表面性质的调控对于多层电合成流动反应池的性能也有着重要影响。流道材料需要具备良好的化学稳定性、耐腐蚀性、绝缘性以及合适的力学性能，以确保在复杂的电化学环境下能够长期稳定运行。常见的流道材料包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯乙烯（PS）等高分子材料，以及玻璃、陶瓷等无机材料。这些材料各有优缺点，例如 PTFE 具有优异的化学稳定性和低摩擦系数，能够有效减少反应液在流道内的阻力，但其力学性能相对较弱；PEEK 则具有较高的强度和良好的耐热性，适用于高温、高压的反应环境，但成本相对较高。在实际应用中，需要根据具体的反应需求和工况条件，综合考虑选择合适的流道材料。

       除了材料本身的性质，对流道表面进行改性处理也是优化流道性能的重要手段。通过在流道表面引入特定的官能团或涂层，可以改变流道表面的润湿性、电荷性质和表面能等物理化学性质，从而对反应液在流道内的流动行为和传质过程产生积极影响。例如，在流道表面涂覆一层亲水涂层（如聚乙二醇 PEG 涂层），可以提高流道表面对反应液的润湿性，使反应液能够更均匀地分布在流道内，减少气泡的产生和附着，提高传质效率。

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。