一、引言

      电催化连续流反应系统作为融合电催化技术与连续流工艺的新型反应体系，通过流体在特制反应器内的持续流动实现传质强化、热管理优化与动态界面调控，有效突破了传统间歇式电化学反应器效率低、选择性差、稳定性不足的瓶颈。该系统凭借绿色可持续、反应可控性强、易于放大集成等优势，在有机合成、能源转化、环境修复等领域展现出巨大应用潜力，已成为连接基础催化研究与工业化生产的关键桥梁。近年来，随着材料科学、反应工程与流体力学的交叉融合，系统在催化剂设计、反应器构造及工艺优化等方面取得系列突破，但从实验室原型到工业化应用仍面临多重挑战。本文将系统梳理电催化连续流反应系统的最新研究进展，剖析核心技术瓶颈，并展望未来发展方向。

二、电催化连续流反应系统的最新研究进展

（一）高效催化材料的设计与制备

      催化材料的性能优化是提升系统效率的核心，近年来围绕活性位点调控、表界面工程及载体功能化形成了系列创新成果。在活性位点精准调控方面，天津科技大学团队以多孔钛膜为基底，通过原位生长策略构筑一维 Co₃O₄纳米针阵列及 Co₃O₄@MnO₂核壳结构催化剂，利用核壳界面电子结构调变实现甲苯 C (sp³)-H 键氧化产物的定向调控，苯甲醛与苯甲醇选择性均突破 90%。这种一维纳米阵列结构不仅增加了活性位点密度，更通过定向电子传递提升了电荷分离效率，为惰性化学键的选择性活化提供了新路径。

      在表界面工程方面，密度泛函理论（DFT）的深度应用推动了催化机制的明晰化。研究发现，通过 MnO₂修饰 Co₃O₄表面可改变催化剂对反应中间体的吸附能，进而调控反应路径 —— 裸露 Co₃O₄表面倾向于生成苯甲醛，而核壳结构则优先形成苯甲醇，在高电流密度下更可定向生成乙酸苄酯。这种 "理论预测 - 实验验证" 的设计模式，已成为开发高选择性催化剂的标准范式，广泛应用于 CO₂还原、甲醇氧化等反应体系。

      载体功能化则聚焦于提升催化剂稳定性与传质效率。三维多孔载体（如泡沫镍、碳纳米管阵列）凭借 100-500 m²/g 的高比表面积，为催化剂提供了稳固的负载平台，结合错流流动设计可实现活性位点的充分利用。此外，电催化膜电极（ECMEs）的开发将催化功能与分离功能集成，在连续反应过程中同步实现产物分离，进一步简化了工艺流程。

（二）反应器结构的创新与优化

      反应器作为反应发生的核心场所，其结构设计直接决定传质效率、热管理能力与流体分布均匀性，近年来在微通道构建、多相流调控及模块化集成方面取得显著进展。微通道反应器凭借 50-200μm 的微米级通道结构强化流体湍流程度，在电催化析氢反应中可使传质系数提升 40%，电流密度达到传统反应器的 2 倍。这种结构通过缩短扩散距离、增大比表面积，有效消除了传质限制，特别适用于快反应动力学体系。

      多相流协同反应器的开发则解决了气 - 液 - 固三相反应的传质难题。针对 CO₂电还原等气体参与的反应，气泡柱式反应器通过优化气泡尺寸与流动轨迹，使局部 CO₂浓度提升 3 倍以上，显著提高了还原转化速率。在电催化氧还原反应中，该类反应器通过气液分散强化氧气溶解，结合多孔电极设计实现了三相界面的动态稳定，法拉第效率提升至 95% 以上。

      模块化设计理念的引入为系统放大提供了新思路。通过单元反应器的标准化设计与并联集成，可在保持实验室级反应条件的同时实现产能提升，避免了传统放大过程中的性能衰减。此外，计算流体力学（CFD）模拟技术的应用实现了反应器内流场的精准预测，在硝基苯还原反应中，通过 CFD 优化流速至 0.5 m/s，转化率从 60% 跃升至 92%，彰显了 "数字孪生" 技术在反应器设计中的核心价值。

（三）反应工艺的耦合与强化

      工艺优化通过多参数协同调控实现反应性能的全面提升，近年来在流体动力学调控、电解质工程及能量耦合等方面形成关键技术突破。流体动力学调控聚焦于流速与流型的精准控制，研究表明不同反应体系存在最优流速区间 —— 低流速下传质不足限制反应速率，过高流速则增加能耗并可能破坏催化剂结构。在甲醇电氧化中，优化流速可使催化剂表面碳沉积速率降低 70%，显著延长使用寿命。

      电解质工程与流动过程的耦合创新进一步突破了反应限制。采用高离子电导率的离子液体电解质（如三氟甲磺酸盐溶液），可降低界面电阻并提升离子迁移效率，在 CO 还原反应中使法拉第效率突破 95%。对于 pH 敏感反应（如析氧反应），通过流动电解质的动态调节形成梯度 pH 环境，可维持催化剂表面的最佳反应条件，促进中间体的定向转化。

      能量耦合技术则拓展了系统的应用边界。光 / 电催化与连续流的协同体系通过光子与电能的互补利用，降低了反应活化能 —— 光生电子与电催化产生的高能载流子共同活化反应底物，结合连续流的精准控时特性，实现了反应路径的实时调控。这种多能量输入模式已应用于氢化反应、生物质转化等领域，为高能耗反应的绿色化提供了新方案。

（四）典型应用领域的技术突破

       在有机合成领域，系统已实现从简单官能团转化到复杂分子合成的跨越。除甲苯选择性氧化外，在硝基苯还原、烯烃环氧化等反应中，通过催化剂与反应器的匹配优化，均实现了目标产物选择性 > 90% 的突破。特别是在精细化工领域，模块化系统可灵活调整反应条件，满足不同产物的定制化需求，展现出替代传统热催化工艺的潜力。

      能源转化领域是系统应用的另一主战场。在 CO₂电还原中，微通道反应器结合高效 Cu 基催化剂，可定向生成 CO、乙烯等化学品，转化率较传统体系提升 2-3 倍；电解水制氢领域，三维多孔电极与微通道的集成使电流密度稳定在 1 A/cm² 以上，能耗降低 15%。在环境修复领域，系统通过产生羟基自由基等活性物种降解有机污染物，流动体系可使废水处理负荷提升至间歇式反应器的 3 倍，且能耗控制在传统工艺的 60% 以内。

三、电催化连续流反应系统面临的核心挑战

（一）材料耐久性不足限制长期运行

       电极与催化材料的长期稳定性是制约系统工业化的首要瓶颈。在连续运行过程中，材料需承受多重严苛条件：高速流动的电解液产生的机械冲刷导致碳载催化剂颗粒脱落，活性位点持续流失；酸碱电解液与高电位环境引发电极腐蚀，如 CO₂电还原系统中高浓度 CO₂与循环电解液的协同作用加速钛基电极腐蚀，导致系统性能在数百小时内下降 30% 以上；此外，反应过程中生成的积碳、氢氧化物沉积等副产物会覆盖活性位点，进一步加剧催化剂失活。这些因素共同导致系统维护成本高昂，难以满足工业化生产的长期稳定需求。

（二）放大效应导致性能衰减

         从实验室毫升级反应池到工业千升级装置的放大过程中，流场均一性、传质效率与能量分布的失衡引发显著性能衰减。流道尺寸扩大导致流体流速分布不均，出现 "死体积" 与 "过流区域"，使局部反应物浓度差异可达 10 倍以上，造成产物选择性波动。在电催化合成氨系统中，放大后反应热点难以控制，局部温度升高引发副反应，使氨选择性从实验室的 85% 降至工业级装置的 60% 以下。此外，放大过程中电极间距增大导致欧姆损耗增加，需额外提升电压以维持反应速率，进一步加剧了能耗负担。

（三）成本与能效的固有矛盾

     系统运行成本与能量效率之间的矛盾限制了其经济可行性。为维持高效传质，高压泵送系统需消耗大量能量，其能耗占系统总能耗的 15%-20%，而强化传质所需的更高流速会使泵送能耗进一步飙升。在电催化废水处理中，为实现污染物深度去除，流速提升 3 倍可使处理效率提高 40%，但能耗增加 2 倍以上，导致运营成本超出传统工艺。此外，贵金属催化剂（如 Pt、Pd）的使用虽能提升活性，但显著增加了初始投资，而非贵金属催化剂的活性与稳定性仍无法满足需求，成本与能效的平衡成为工业化的关键障碍。

（四）非法拉第副反应的干扰

     在高浓度底物反应体系中，非法拉第副反应的加剧严重降低了反应效率与选择性。生物质电氧化过程中，含醛基等不稳定官能团的底物在碱性环境下易发生聚合、歧化等副反应，造成碳损失率超过 30%。以 5 - 羟甲基糠醛（HMF）电氧化制备 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）为例，高浓度 HMF 在连续流动过程中易聚合生成胡敏素，不仅消耗底物，更会堵塞流道与催化剂孔隙。这类副反应往往与目标电催化反应存在竞争关系，且随反应规模扩大而加剧，成为制约高浓度体系工业化的重要因素。

四、电催化连续流反应系统的未来展望

（一）跨尺度催化材料的精准创制

     未来催化材料的发展将聚焦于 "原子级精准设计 - 宏量制备 - 原位表征" 的全链条创新。在原子级设计层面，单原子催化剂与团簇催化剂将成为研究重点，通过调控金属中心配位环境实现反应路径的定向控制，结合 DFT 计算与机器学习建立构效关系预测模型。宏量制备技术需突破现有合成瓶颈，开发如原子层沉积、流变相合成等可规模化生产的方法，确保催化剂性能的批次稳定性。

      原位表征技术的集成应用将进一步明晰反应机制。结合同步辐射、原位电镜与在线质谱，可实时追踪反应过程中催化剂结构演变、中间体生成与产物脱附的动态过程，为材料优化提供直接依据。此外，智能响应型催化剂的开发将实现活性位点的动态调控，通过 pH、电位等信号触发催化剂结构转变，适应连续流中的反应条件变化。

（二）智能反应器的开发与集成

      反应器技术将朝着 "结构功能一体化 - 参数智能调控 - 系统模块化" 方向发展。结构设计上，3D 打印技术将实现复杂流道的精准制造，结合仿生结构设计（如叶脉状流道）优化流体分布，消除放大过程中的流场不均问题。功能集成方面，开发集反应、分离、检测于一体的多功能反应器，如将电催化膜与在线光谱检测结合，实时监测反应进程并反馈调控。

      智能调控系统的构建依赖于传感技术与人工智能的融合。通过嵌入温度、压力、浓度等多维度传感器，结合机器学习算法实时优化反应参数（如流速、电位、pH），在电催化 CO₂还原中可实现产物选择性的动态调节。模块化设计将形成标准化反应器单元，通过串并联组合满足不同产能需求，大幅降低放大成本与风险。

（三）低能耗工艺的优化与创新

      工艺优化的核心在于突破成本与能效的矛盾，关键路径包括低能耗传质强化、新型电解质开发与能量协同利用。传质强化方面，开发新型脉动流技术与超声辅助流动系统，在较低流速下实现高效传质，降低泵送能耗；采用超亲水 / 超疏水复合表面修饰流道，调控流体浸润性以加速反应物扩散。新型电解质体系将聚焦于低粘度、高电导率的绿色溶剂，如深共晶溶剂与生物基电解质，同时开发固态电解质替代传统液态体系，避免电解液泄漏与腐蚀问题。

       能量协同利用将实现多能源输入的高效耦合。光 - 电 - 流协同系统通过光伏供电与光催化辅助，降低外部电能消耗，在水分解制氢中可使能耗降低 20% 以上；热电联产模式则将反应余热回收利用，用于预热反应物或驱动辅助设备，提升系统总能量效率。此外，耦合可再生能源（如风电、光伏）的波动供电特性，开发自适应反应系统，实现能源供给与反应需求的动态匹配。

（四）工业化应用的路径探索

       工业化推进需构建 "技术研发 - 中试放大 - 标准制定" 的系统性方案。中试放大技术应突破传统经验模式，建立基于相似性原理与数值模拟的放大准则，结合模块化单元的逐步拓展，实现从实验室到中试再到工业级的平滑过渡。针对不同应用领域开发专用系统：有机合成领域侧重高选择性与产物纯度控制，能源转化领域聚焦长周期稳定性与高电流密度，环境修复领域则强调低成本与抗污染能力。

      标准体系的建立是工业化的重要支撑，需制定催化剂性能、反应器设计、工艺操作等系列标准，规范产品质量与安全要求。此外，产学研用的深度融合将加速技术转化，通过企业主导、高校研发、院所测试的协同模式，推动系统在精细化工、碳中和等国家战略领域的示范应用。未来 5-10 年，随着关键技术的突破，电催化连续流反应系统有望在医药中间体合成、CO₂资源化利用等领域实现规模化应用，成为绿色制造的核心装备。

五、结论

      电催化连续流反应系统作为绿色催化与过程工程交叉融合的典范，在催化材料精准设计、反应器结构创新及工艺协同优化等方面已取得突破性进展，为有机合成的高效化、能源转化的低碳化及环境修复的低成本化提供了新路径。天津科技大学等团队开发的核壳结构催化剂与电催化膜反应器，以及基于 CFD 模拟的流场优化技术，彰显了多学科交叉的创新活力。然而，材料耐久性不足、放大效应显著、成本能效失衡及副反应干扰等瓶颈仍制约着其工业化进程。

       未来，通过跨尺度催化材料的精准创制、智能反应器的开发集成、低能耗工艺的优化创新及工业化路径的系统探索，有望突破上述瓶颈。随着原子级催化调控、3D 打印制造、人工智能优化等技术的深度融合，电催化连续流反应系统将实现从 "实验室工具" 到 "工业装备" 的跨越，在绿色化工、新能源开发等领域发挥核心支撑作用，为 "双碳" 目标实现与可持续发展提供关键技术保障。

产品展示

      SSC-PECRS电催化连续流反应系统主要用于电催化反应和光电催化剂的性能评价，可以实现连续流和循环连续流实验，配置反应液体控温系统，实现主要用于光电催化CO2还原反应全自动在线检测系统分析，光电催化、N2催化还原，电催化分析、燃料电池、电解水等。

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