一、引言​

     在当今追求绿色、高效化学合成的时代背景下，电化学合成技术凭借其独特优势，如反应条件温和、可精准调控反应路径以及环境友好等，在有机合成、能源转化和环境治理等众多领域崭露头角，成为研究热点。多层电合成流动反应池作为电化学合成领域的创新成果，融合了电化学理论、流动化学原理以及多学科交叉技术，为突破传统电化学装置在传质效率、反应速率和产物选择性等方面的瓶颈提供了全新解决方案，近年来在基础研究和实际应用中均取得了显著进展。​

二、工作原理概述​

      多层电合成流动反应池的运作基于经典的电化学理论。当具有一定流速的反应液在外部压力（如蠕动泵产生的压力）驱动下，稳定流入反应池内的流道，并依次流过阳极和阴极表面时，电化学反应即刻发生。在阳极，反应物分子失去电子，发生氧化反应；在阴极，反应物分子获得电子，进行还原反应。以有机电合成中常见的硝基化合物还原为氨基化合物的反应为例，在阴极表面，硝基（-NO₂）逐步得到电子，历经亚硝基（-NO）等中间态，最终转化为氨基（-NH₂）。而阳极可能发生析氧反应等氧化半反应，以维持整个电化学反应体系的电荷平衡。在此过程中，电极电势如同反应的 “开关” 和 “调节器”，精确掌控反应的方向和速率。合适的电极电势能够降低反应活化能，促使反应物分子更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对反应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推动特定反应路径，提高目标产物生成比例。​

三、关键技术突破​

3.1 电极材料与表面改性​

3.1.1 高活性催化剂设计​

• 非贵金属催化剂：传统电合成常依赖贵金属催化剂，成本高昂限制了大规模应用。近年来，非贵金属催化剂研发取得重要突破。例如，Fe - N - C 单原子催化剂用于氧还原反应（ORR），在保证催化活性的前提下，成本相较于传统贵金属催化剂降低了约 80%。这种单原子催化剂具有独特的电子结构和高原子利用率，每个 Fe 原子都作为活性位点参与反应，极大提高了催化效率。​

• 三维多孔电极：为增大电极比表面积、提供更多活性位点，三维多孔电极应运而生。如碳纤维泡沫负载纳米 Pt 颗粒构成的三维多孔电极，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。在实际应用中，其电流密度相较于传统平板电极提升了 4 倍左右，显著加快了电化学反应速率。这是因为三维多孔结构为反应液提供了丰富的流通通道，使反应物能够更充分地与电极表面接触，有效缩短了传质距离。​

3.1.2 表面功能化​

• 疏水涂层：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），气体产物易在电极表面形成气泡，这些气泡不仅会占据电极活性位点，还可能阻碍反应液流动，导致 “气堵” 现象，严重影响反应效率。采用聚四氟乙烯（PTFE）等疏水涂层修饰电极表面，可有效抑制气泡粘附。PTFE 涂层具有极低的表面能，使气泡难以在电极表面附着，能够快速脱离电极表面，减少对反应的不利影响，维持电极表面的高效反应活性。​

3.2 流道设计与流体优化​

3.2.1 微流控结构创新​

• 仿生流道：借鉴自然界树叶脉络的分形结构，科研人员开发出仿生流道设计。这种流道通过巧妙的分支和变径设计，使反应液在流道内实现更均匀的流速分布。传统直交流道中，反应液容易出现流速不均和死区问题，导致部分电极表面无法充分利用。而仿生分形流道能够有效避免这些问题，让反应液更充分地与电极表面接触，加速反应物向电极表面传输以及产物从电极表面脱离。研究数据显示，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。​

• 气液分离流道：在电化学反应中，气体产物的生成是常见现象，如氢气、氧气等。若气体在反应液中积累，会引发 “气堵”，影响反应液流动和反应进行。气液分离流道设计在流道内嵌入疏水多孔膜，当气体产物生成时，在浮力和流动剪切力作用下，气体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 “气堵” 问题，确保反应液顺畅流动，保证电极表面始终有新鲜反应物供应，大幅提升反应稳定性和持续运行能力。​

3.2.2 计算流体力学（CFD）模拟​

      为进一步优化流道性能，CFD 模拟技术被广泛应用。通过建立流道的数学模型，模拟反应液在不同流道几何参数（如宽度、曲率半径）下的流动状态，能够直观了解流道内流速分布、压力变化以及反应物浓度分布等情况。借助 CFD 模拟，可精准预测流道设计对反应过程的影响，避免死区形成，优化流道结构，提高传质效率。例如，通过模拟发现，适当减小流道宽度可增加反应液与电极表面的接触面积，但过小的宽度会导致压力降过大，影响反应液流量。通过模拟优化，可找到最佳流道几何参数组合，使反应池性能达到最优。​

3.3 智能控制系统​

3.3.1 电位动态调控​

      多层电合成流动反应池的各层电极可根据反应需求施加不同电势，实现复杂电合成反应。然而，反应过程中反应物浓度、产物积累等因素会动态变化，传统固定电位控制难以满足反应实时需求。电位动态调控技术借助在线电化学质谱（EC - MS）等先进检测手段，实时监测反应体系中物质组成和电极电位变化。根据监测反馈，系统能够迅速调整各层电极电压，避免副反应发生。例如，在某些有机电合成反应中，析氢反应是常见副反应，通过电位动态调控，可精准控制电极电位，抑制析氢反应，提高目标产物选择性和产率。​

3.3.2 温度协同管理​

      反应温度对电化学反应速率和选择性有显著影响。在多层电合成流动反应池中，由于各层反应同时进行，产热情况复杂。温度协同管理技术在每层集成微型热电偶和冷却通道，实时监测每层温度，并通过冷却通道精确控制温度。微型热电偶能够快速、准确测量温度，精度可达 ±1℃。当温度超出设定范围时，冷却通道及时调节，将反应温度稳定在适宜区间。例如，在一些对温度敏感的电合成反应中，严格控制温度波动在 ±1℃范围内，可确保反应在最佳条件下进行，提高反应重复性和产物质量。​

四、创新实践案例​

4.1 在有机合成领域的应用​

      在精细化工和制药行业中，有机化合物的合成至关重要。以合成重要药物中间体为例，传统化学合成方法往往步骤繁琐、条件苛刻且产生大量废弃物。采用多层电合成流动反应池，利用其精准的电位调控和高效传质优势，可实现温和条件下的有机合成。如通过控制不同层电极电势，可将复杂的多步反应在一个反应池中连续完成，简化合成路线。同时，流动反应方式使反应物和产物能够及时更新和分离，提高反应效率和产物纯度。实验结果表明，相较于传统合成方法，采用多层电合成流动反应池合成该药物中间体，反应步骤减少约 30%，产物收率提高 20% - 30%，且废弃物排放量显著降低。​

4.2 在能源转化领域的探索​

      在能源转化领域，多层电合成流动反应池在电催化二氧化碳还原和电催化合成氨等方面展现出巨大潜力。以电催化二氧化碳还原为例，通过优化电极材料（如采用铜基三维多孔电极）和流道设计（仿生流道），结合智能电位调控，可将二氧化碳高效转化为有用的碳氢化合物或含氧化合物。在特定反应条件下，二氧化碳转化率可达 80% 以上，目标产物（如甲酸、乙醇等）选择性超过 90%。在电催化合成氨方面，多层电合成流动反应池能够克服传统哈伯 - 博施法合成氨高温高压的缺点，在相对温和条件下实现氮气和氢气的电催化合成氨。通过合理设计电极结构和表面修饰，提高氮气在电极表面的吸附和活化效率，同时优化流道内气体和液体的流动状态，使氨的产率得到显著提升，为绿色合成氨工艺开辟了新路径。​

4.3 在环境治理方面的尝试​

      在环境治理领域，多层电合成流动反应池可用于降解水中有机污染物和去除重金属离子。例如，对于含有难降解有机污染物（如多环芳烃、抗生素等）的废水，利用多层电合成流动反应池的阳极氧化作用，在合适的电极材料（如硼掺杂金刚石电极）和反应条件下，能够将有机污染物逐步氧化分解为二氧化碳和水等无害物质。通过优化流道设计，使废水在反应池中充分流动，与电极表面充分接触，提高污染物降解效率。实验数据显示，经过一定时间处理，废水中有机污染物的去除率可达 90% 以上。在去除重金属离子方面，利用阴极还原作用，将废水中的重金属离子（如铜离子、汞离子等）还原为金属单质并沉积在电极表面，实现重金属回收和废水净化双重目的。​

五、总结与展望​

      多层电合成流动反应池通过在电极材料与表面改性、流道设计与流体优化以及智能控制系统等关键技术方面的突破，展现出卓越的性能优势，并在有机合成、能源转化和环境治理等多个领域取得了创新性应用成果。然而，目前该技术仍面临一些挑战，如进一步降低成本以实现大规模工业化应用、深入理解复杂反应体系中的多物理场耦合机制以实现更精准的反应调控等。未来，随着材料科学、计算科学和电化学等多学科的持续交叉融合发展，多层电合成流动反应池有望在技术上实现新的飞跃，为推动绿色化学合成和可持续发展发挥更大作用。在电极材料方面，研发更高活性、更稳定且成本更低的新型催化剂将是重要发展方向；流道设计将朝着更精细化、智能化方向发展，进一步提升传质和反应效率；智能控制系统将融合更多先进传感技术和人工智能算法，实现对反应过程的全流程实时监测和精准调控。相信在科研人员的不懈努力下，多层电合成流动反应池将在更多领域得到广泛应用，为解决全球面临的资源、能源和环境问题提供有力技术支撑。​

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。