本文聚焦于基于微流控技术的电合成连续流动池的构建与放大策略。首先阐述了微流控技术原理及其在电合成中的优势，接着详细介绍连续流动池构建，包括电极材料选择、微通道设计等关键要素。在放大策略方面，分析了多池并联、尺寸放大等方法及其面临的挑战与解决措施。通过本文，旨在为相关研究人员在该领域的深入探索与应用提供全面且系统的参考。

一、引言

      电合成作为一种绿色、高效的合成方法，近年来在有机合成、能源存储与转化、环境修复等领域展现出巨大的潜力。与传统的化学合成方法相比，电合成利用电能驱动化学反应，避免了使用大量的化学氧化剂或还原剂，从而减少了废弃物的产生，降低了对环境的影响。同时，电合成反应条件温和，能够实现一些传统方法难以达成的反应。

      微流控技术作为一种精确控制和操控微尺度流体的技术，为电合成的发展注入了新的活力。在微流控系统中，流体在微米级别的通道中流动，具有独特的流体力学特性，如层流现象显著、传质和传热效率高、反应条件易于精确控制等。将微流控技术应用于电合成领域，构建连续流动池，能够充分发挥两者的优势，实现高效、精准的电合成过程。

      然而，目前基于微流控技术的电合成连续流动池在实际应用中仍面临一些挑战。例如，如何优化连续流动池的构建，提高其性能和稳定性；如何实现从实验室规模到工业化生产的放大，以满足大规模生产的需求等。因此，深入研究基于微流控技术的电合成连续流动池的构建与放大策略具有重要的理论和实际意义。

二、微流控技术原理及在电合成中的优势

（1）微流控技术原理

微流控技术是一种在微纳尺度下对流体进行精确操控和处理的技术，其研究的空间特征尺度范围通常在 1 微米（10⁻⁶米）至 1 毫米（10⁻³ 米）之间。在微流控系统中，流体的行为与宏观尺度下有显著不同。由于通道尺寸极小，流体的雷诺数（Re）变得很小，大部分流态呈现为层流。这意味着流体在通道中流动时，不同流层之间相互平行，几乎不发生混合，流体之间的物质交流主要依赖于相对缓慢的分子扩散作用。

此外，在微尺度下，表面张力、能量耗散及流体阻力等因素开始主导流体行为。例如，表面张力在微流控芯片的液滴生成、操控等过程中起着关键作用；而能量耗散使得微流控系统在运行过程中能耗较低。微流控技术正是利用这些特殊的流体行为，实现对流体的精确控制，包括流体的输送、混合、反应等过程。

（2）在电合成中的优势

1.高效传质与传热

在电合成反应中，反应物需要快速传递到电极表面才能发生反应，而产物则需要及时从电极表面移除，以避免产物积累对反应的抑制。微流控连续流动池具有极小的通道尺寸，大大增加了反应物与电极的接触面积，缩短了反应物和产物的扩散路径。研究表明，在微流控通道中，传质速率可比传统反应器提高数倍甚至数十倍。

同时，微流控系统的高效传热特性能够快速移除反应过程中产生的热量，避免电极表面因过热而导致的催化剂失活或副反应发生。例如，在电催化析氧反应中，微流控连续流动池能够有效控制反应温度，维持催化剂的高活性，提高反应效率。

2. 精确反应条件控制

微流控技术能够精确控制反应体系的各种参数，如反应物浓度、流速、反应时间等。通过精确调节微通道中不同流体的流速，可以实现反应物的精准混合，控制反应的化学计量比。而且，微流控系统可以在微观尺度上创造出高度均匀的反应环境，确保反应条件的一致性，从而提高反应的选择性和重复性。

例如，在有机电合成中，通过精确控制反应条件，可以选择性地合成目标产物，减少副产物的生成。在合成手性药物中间体时，利用微流控连续流动池能够精确控制反应条件，实现高对映体过量（ee 值）的合成，提高药物的纯度和疗效。

3. 降低试剂用量与能耗

由于微流控通道尺寸小，反应体系的体积大大减小，因此所需的反应物和支持电解质的用量也显著降低。这不仅降低了生产成本，还减少了废弃物的产生，符合绿色化学的理念。

同时，微流控系统的低雷诺数特性使得流体在通道中流动时能耗较低。而且，通过优化微通道设计和反应条件，可以进一步降低电合成过程中的能耗。例如，在一些电催化反应中，通过合理设计微通道结构，减少流体的流动阻力，降低了泵的能耗，同时提高了电化学反应的效率，实现了节能与高效的双重目标。

三、基于微流控技术的电合成连续流动池构建

（1）电极材料的选择与设计

1.常用电极材料及其特性

在电合成连续流动池中，电极材料的选择至关重要，其直接影响反应的活性、选择性和稳定性。常见的电极材料包括贵金属（如铂、金等）、碳材料（如石墨、碳纳米管、石墨烯等）以及过渡金属及其氧化物（如铁、钴、镍及其氧化物等）。

贵金属电极具有优异的导电性和催化活性，对许多电化学反应具有较高的催化效率，且化学稳定性好，不易被腐蚀。然而，其高昂的成本限制了大规模应用。例如，铂电极在电催化析氢和析氧反应中表现出极高的催化活性，但由于铂资源稀缺、价格昂贵，阻碍了其在工业生产中的广泛使用。

碳材料具有良好的导电性、较大的比表面积和化学稳定性，且成本相对较低。其中，石墨电极价格便宜，广泛应用于一些基础电合成反应。碳纳米管和石墨烯具有独特的纳米结构和优异的电学性能，能够提供丰富的活性位点，增强电极对反应物的吸附和催化能力。例如，碳纳米管负载金属催化剂后，在电催化二氧化碳还原反应中表现出较高的活性和选择性，能够将二氧化碳高效转化为一氧化碳、甲烷等产物。

过渡金属及其氧化物电极材料来源丰富、成本较低，且具有一定的催化活性。一些过渡金属氧化物（如二氧化锰、氧化钴等）在特定的电化学反应中表现出良好的催化性能。例如，二氧化锰电极在某些有机电合成反应中可作为有效的催化剂，促进反应的进行。

2.电极的修饰与改性

为了进一步提高电极的性能，常常需要对电极进行修饰与改性。通过在电极表面引入特定的功能基团或纳米结构，可以改变电极的表面性质，增强其催化活性、选择性和稳定性。

一种常见的修饰方法是在电极表面负载纳米催化剂颗粒。例如，将纳米铂颗粒负载在碳纳米管上，制备成复合电极。这种复合电极结合了碳纳米管的高比表面积和纳米铂颗粒的高催化活性，在电催化反应中表现出优异的性能。纳米颗粒的小尺寸效应使得其表面原子比例增加，提供了更多的活性位点，从而显著提高了电极的催化活性。

此外，还可以对电极表面进行化学修饰，引入具有特定功能的分子或基团。例如，在电极表面修饰一层具有酸碱缓冲能力的聚合物，能够调节电极表面的微环境，改变反应物在电极表面的吸附和反应行为，提高反应的选择性。又如，通过在电极表面修饰手性分子，可以实现对手性化合物的选择性电合成。

另外，构建纳米结构的电极表面也是一种有效的改性手段。通过电化学沉积、光刻等技术，可以在电极表面制备出纳米多孔、纳米线、纳米管等结构。这些纳米结构不仅增加了电极的比表面积，还能促进反应物和产物的传质过程，提高电极的性能。例如，纳米多孔结构的电极在电催化反应中，能够使电解液更好地渗透到电极内部，增加反应物与活性位点的接触机会，从而提高反应速率和电流密度。

（2）微通道的设计与优化

1.微通道的尺寸与形状对流体流动和反应的影响

微通道的尺寸和形状是影响连续流动池中流体流动和电化学反应的关键因素。微通道的尺寸通常在几十微米到几百微米之间，较小的通道尺寸能够增加反应面积，提高传质效率。当通道尺寸减小，反应物分子扩散到电极表面的距离缩短，反应速率相应提高。例如，在电催化二氧化碳还原反应中，采用几十微米尺寸的微通道，二氧化碳的传质速率可比传统反应器提高数倍，从而实现更高的电流密度和反应效率。

微通道的形状也对流体流动和反应分布有重要影响。常见的微通道形状有矩形、圆形、蛇形、树枝状等。矩形通道便于加工和集成，在微流控芯片中应用较为广泛。其直的通道结构使得流体流动较为稳定，但在某些情况下可能存在流体分布不均匀的问题。圆形通道在流体力学上具有更好的稳定性，流体在圆形通道中流动时，阻力较小，能够实现更均匀的流速分布。

蛇形和树枝状等复杂形状的微通道则具有独特的优势。蛇形通道可以增加流体在通道内的停留时间，促进反应物之间的充分混合和反应。树枝状通道能够模拟自然界中的分形结构，实现流体的高效分配和混合，提高反应的均匀性。例如，在一些需要多步反应的电合成过程中，采用蛇形微通道可以确保反应液在不同阶段都能充分反应，提高产物的收率和质量。

（2）基于计算流体力学（CFD）的微通道优化设计

为了深入了解微通道内的流体流动和反应过程，优化微通道的设计，计算流体力学（CFD）模拟技术被广泛应用。CFD 通过数值求解流体力学的控制方程，如连续性方程、动量方程和能量方程等，对微通道内的流体流动、传热传质以及电化学反应过程进行模拟和分析。

利用 CFD 模拟，可以预测不同微通道尺寸、形状和操作条件下的流体流速分布、压力分布、浓度分布以及电流密度分布等参数。通过对这些模拟结果的分析，能够发现微通道设计中存在的问题，如流体死区、流速不均匀、反应物浓度分布不合理等，并针对性地进行优化。

例如，在设计用于电合成的微通道时，通过 CFD 模拟可以优化通道的入口和出口结构，确保流体能够均匀地进入和流出通道，避免出现局部流速过高或过低的情况。同时，模拟还可以帮助确定最佳的微通道长度和宽度，以实现高效的传质和反应。在研究多相流（如气液两相流）在微通道内的行为时，CFD 模拟能够清晰地展示气泡的生成、生长和运动过程，为优化微通道结构以促进气液混合和反应提供依据。

此外，CFD 模拟还可以与实验相结合，相互验证和补充。通过实验测量得到的一些数据，如流速、浓度等，可以用于验证 CFD 模型的准确性；而 CFD 模拟预测的结果则可以指导实验的设计和优化，减少实验的盲目性，提高研究效率。

（3）流动池的整体结构设计

1.不同类型的流动池结构特点

常见的基于微流控技术的电合成连续流动池结构有薄层流动池、微流控芯片式流动池和气体扩散电极（GDE）型流动池等，它们各自具有独特的结构特点和适用场景。

薄层流动池的主要特点是电解液层厚度极薄，通常在几十微米甚至更低。这种结构极大地缩短了反应物和产物的扩散路径，提高了传质效率。同时，薄层结构使得电场分布更加均匀，有利于反应的均匀进行。在电催化二氧化碳还原反应中，薄层流动池能够使二氧化碳快速扩散到电极表面参与反应，显著提高反应速率和电流密度。其缺点是对流体的流量控制要求较高，且由于通道容量较小，处理量相对有限。

微流控芯片式流动池将微流控通道、电极等组件集成在一块芯片上，具有高度集成化、微型化的特点。芯片上可以设计复杂的微通道网络，实现对多种反应物的精确输送、混合和反应控制。微流控芯片式流动池适合用于研究电催化反应机理以及进行高通量的实验筛选。例如，在开发新型电催化剂时，可以在微流控芯片上同时进行多个不同催化剂的电催化反应测试，快速筛选出性能优异的催化剂。但其制作工艺较为复杂，成本相对较高。

GDE 型流动池具有独特的气体扩散层设计，该层允许气体反应物（如二氧化碳）直接与催化剂表面接触，避免了气体在电解液中的大量溶解损失，提高了气体的利用效率。同时，气体扩散层能够改变电极表面的局部环境，抑制一些副反应的发生。在电催化二氧化碳还原反应中，GDE 型流动池能够有效提高目标产物（如一氧化碳、甲酸等）的选择性，减少析氢等副反应。然而，GDE 型流动池的气体扩散层制备工艺要求较高，且需要精确控制气体的流量和压力。

2.流动池结构设计中的关键考虑因素

在设计流动池结构时，需要综合考虑多个关键因素，以确保流动池能够高效、稳定地运行，满足电合成反应的需求。

首先是传质和传热效率。良好的传质和传热性能是保证电合成反应高效进行的基础。通过优化微通道的设计、选择合适的流动池结构以及合理布置电极位置，可以提高反应物向电极表面的传质速率，同时及时移除反应产生的热量。例如，在设计微通道时，增加通道的曲折度或采用特殊的混合结构，可以促进流体的混合，增强传质效果。在流动池结构中设置冷却通道，能够有效控制反应温度，防止因温度过高导致的反应性能下降。

其次是电极与微通道的集成方式。电极与微通道的集成应确保电极能够充分接触电解液，并且在流体流动过程中保持稳定。一种常见的集成方式是将电极直接制作在微通道的壁面上，这样可以最大限度地增加电极与电解液的接触面积，提高反应效率。同时，要注意电极与微通道之间的密封，防止电解液泄漏。此外，还可以采用模块化的设计理念，将电极和微通道设计成可拆卸、可更换的模块，便于根据不同的反应需求进行灵活调整和优化。

再者是流动池的密封性和耐压性。在连续流动池中，电解液在一定压力下流动，因此流动池需要具备良好的密封性和耐压性，以防止泄漏和保证系统的安全运行。选择合适的密封材料和密封结构至关重要。例如，采用橡胶密封圈或密封胶等材料进行密封，同时在结构设计上增加密封面的接触面积和压紧力，确保密封效果。对于需要承受较高压力的流动池，还需要对池体材料的强度进行评估和选择，确保流动池能够在高压环境下稳定运行。

最后是检测和控制功能的集成。为了实时监测电合成反应的过程和性能，流动池结构设计中应考虑集成检测和控制功能。例如，在流动池中设置传感器，用于监测电解液的温度、pH 值、反应物浓度等参数；集成电化学检测模块，实时测量电流、电位等电信号，以了解反应的进行情况。同时，通过自动化控制系统，根据检测到的参数实时调节反应条件，如流速、电压等，实现反应过程的精确控制和优化。

四、电合成连续流动池的放大策略

（1）多池并联放大

1.多池并联的原理与优势

多池并联放大策略是将多个相同或相似的微流控电合成连续流动池并行连接，共同进行电合成反应。其原理是通过增加反应单元的数量，在不改变单个流动池结构和操作条件的前提下，实现反应规模的扩大。

多池并联具有诸多优势。首先，它能够有效提高生产效率。由于多个流动池同时工作，单位时间内处理的反应物量增加，从而提高了产物的产量。例如，在有机电合成中，将多个微流控流动池并联，可以同时进行多组相同的反应，大大缩短了生产周期，提高了生产效率。

其次，多池并联具有较好的灵活性和可扩展性。可以根据实际生产需求，灵活调整并联流动池的数量。当需要扩大生产规模时，只需增加流动池的数量即可，无需对单个流动池进行复杂的改造。而且，在进行工艺优化或新产品研发时，可以方便地对部分流动池进行不同条件的实验，而不影响其他流动池的正常运行。

此外，多池并联还能提高系统的稳定性和可靠性。当某个流动池出现故障时，其他流动池仍能继续工作，不会导致整个生产过程的中断。这种冗余设计在工业生产中具有重要意义，能够降低因设备故障带来的经济损失。

2.多池并联中的流体分配与均一性问题及解决方法

在多池并联系统中，确保流体在各个流动池之间的均匀分配是实现高效、稳定放大的关键。如果流体分配不均，会导致部分流动池内反应物浓度过高或过低，反应速率不一致，从而影响整体的反应效果和产物质量。

造成流体分配不均的原因主要有管道阻力差异、流动池入口结构差异等。为了解决这些问题，可以采取以下措施：
一是优化管道设计。通过合理设计管道的直径、长度和布局，尽量减小各管道之间的阻力差异。例如，采用等径、等长的管道连接各个流动池，并避免管道出现急转弯或不必要的弯折，以减少流体流动过程中的压力损失。同时，可以在管道中设置流量调节装置，如节流阀或流量控制阀，根据实际测量的流量情况，对各管道的流量进行微调，确保流体均匀分配到各个流动池。
二是改进流动池入口结构。设计合理的流动池入口结构，使流体能够平稳、

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。