本文創(chuàng)新性地提出并深入研究了基于微流控與電催化耦合的連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)巧妙融合微流控技術(shù)的高效傳質(zhì)特性與電催化反應(yīng)的優(yōu)勢，在多類反應(yīng)中展現(xiàn)出顯著超越傳統(tǒng)體系的性能。通過在微通道內(nèi)構(gòu)建特殊的電催化反應(yīng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)物的快速傳質(zhì)與高效活化，極大提升了反應(yīng)動力學(xué)速率。研究表明，相較于常規(guī)反應(yīng)裝置，該耦合系統(tǒng)在特定反應(yīng)中可將反應(yīng)速率提高數(shù)倍乃至數(shù)十倍，同時顯著改善產(chǎn)物選擇性，為化工、能源及環(huán)境等領(lǐng)域關(guān)鍵反應(yīng)的高效綠色進(jìn)行開辟了新路徑，有望引發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)變革。

一、引言

      在當(dāng)今化學(xué)化工及相關(guān)交叉領(lǐng)域，提升反應(yīng)效率與選擇性、實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)的化學(xué)反應(yīng)過程始終是核心追求。傳統(tǒng)反應(yīng)體系在傳質(zhì)、反應(yīng)動力學(xué)等方面存在固有局限，難以滿足日益增長的高效、環(huán)保生產(chǎn)需求。例如，在化工合成中，許多反應(yīng)受限于反應(yīng)物擴(kuò)散速率，導(dǎo)致反應(yīng)時間長、產(chǎn)率低；在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，電化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)遲緩制約了能量轉(zhuǎn)換效率的提升。微流控技術(shù)作為新興的前沿技術(shù)，憑借其微尺度下流體行為，如層流、高效傳質(zhì)等特性，為突破傳統(tǒng)反應(yīng)瓶頸帶來了新契機(jī)。同時，電催化反應(yīng)因其能夠在溫和條件下驅(qū)動各類化學(xué)反應(yīng)，在能源存儲與轉(zhuǎn)化、有機(jī)合成等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。將微流控與電催化巧妙耦合構(gòu)建連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)，有望借助微流控的高效傳質(zhì)優(yōu)勢，顯著增強(qiáng)電催化反應(yīng)的動力學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性能的飛躍。目前，該耦合系統(tǒng)已在多個重要領(lǐng)域初露鋒芒，但仍處于發(fā)展初期，深入探究其內(nèi)在機(jī)制、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及拓展應(yīng)用范圍具有高的科學(xué)價值與現(xiàn)實(shí)意義。

二、微流控與電催化耦合系統(tǒng)的原理與構(gòu)建

（1）微流控技術(shù)基礎(chǔ)

      微流控技術(shù)聚焦于在微尺度（數(shù)十至數(shù)百微米）的管道中精準(zhǔn)處理與操控微小體積（皮升 - 納升量級）流體。在微通道內(nèi)，流體呈現(xiàn)出與宏觀尺度截然不同的行為。層流現(xiàn)象是其典型特征之一，當(dāng)流體的雷諾數(shù)小于 3000 時，粘性力主導(dǎo)，流體呈層狀流動，流線平行于管壁。這種特性使得不同流體在微通道中能夠有序共存，即使互溶也能形成清晰的分層流動，為反應(yīng)物的精確混合與反應(yīng)區(qū)域的精準(zhǔn)控制提供了基礎(chǔ)。例如，在微流控芯片中，幾股不同顏色的互溶液體從不同入口進(jìn)入同一微通道時，會形成穩(wěn)定的平行流，利用這一特性可實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)體系中物質(zhì)濃度梯度的精確調(diào)控。同時，在層流狀態(tài)下，分子擴(kuò)散成為傳質(zhì)的主要方式，雖然擴(kuò)散速率相對較慢，但通過在微通道中設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)，如不對稱魚骨狀突起，能夠有效加速傳質(zhì)與液體混合過程。此外，當(dāng)兩相不互溶流體（如油和水）在微通道中流動時，在液 - 液界面張力與剪切力作用下，可形成高度均一的間斷流，即液滴，這一特性在乳液制備等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

（2）電催化反應(yīng)原理

      電催化反應(yīng)本質(zhì)上是在電極表面發(fā)生的借助電能驅(qū)動的化學(xué)反應(yīng)。電極作為反應(yīng)的核心場所，其材料與結(jié)構(gòu)對反應(yīng)性能起著決定性作用。例如，在析氫反應(yīng)中，鉑等貴金屬電具有優(yōu)異的催化活性，能夠有效降低反應(yīng)的過電位，加速氫氣的生成。電催化反應(yīng)過程涉及復(fù)雜的電子轉(zhuǎn)移步驟，反應(yīng)物在電極表面吸附、活化，發(fā)生電子得失，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。在這一過程中，電極表面的電子結(jié)構(gòu)、活性位點(diǎn)數(shù)量與分布等因素共同影響著反應(yīng)的速率與選擇性。例如，通過對電極進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)化處理，增加活性位點(diǎn)數(shù)量，可顯著提升電催化反應(yīng)速率；改變電極材料的組成與配位環(huán)境，能夠調(diào)控對特定反應(yīng)物的吸附能，從而優(yōu)化產(chǎn)物選擇性。

（3）耦合系統(tǒng)的構(gòu)建方式

      構(gòu)建微流控與電催化耦合的連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)，關(guān)鍵在于巧妙整合二者的優(yōu)勢部分。常見的構(gòu)建方式是在微流控芯片的微通道內(nèi)精準(zhǔn)設(shè)置電催化反應(yīng)區(qū)域。具體而言，可將電極材料（如碳納米管修飾的電極、金屬納米顆粒負(fù)載的電極等）通過光刻、電化學(xué)沉積等微加工技術(shù)精確集成到微通道壁上，確保電極與微通道內(nèi)的流體緊密接觸。同時，合理設(shè)計(jì)微通道的幾何形狀與尺寸，以優(yōu)化流體在電極表面的流動狀態(tài)，促進(jìn)反應(yīng)物的高效傳質(zhì)。例如，采用蛇形微通道結(jié)構(gòu)，可延長流體在電極區(qū)域的停留時間，增加反應(yīng)物與電極的接觸機(jī)會；在電極表面附近設(shè)置微尺度的擾流結(jié)構(gòu)，如微柱陣列，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)流體的混合與傳質(zhì)效率。此外，通過外部電路精確控制施加在電極上的電壓或電流，實(shí)現(xiàn)對電催化反應(yīng)進(jìn)程的精準(zhǔn)調(diào)控，確保反應(yīng)在最佳的電化學(xué)條件下進(jìn)行。

三、高效傳質(zhì)對反應(yīng)動力學(xué)的促進(jìn)機(jī)制

（1）微通道內(nèi)的傳質(zhì)特性強(qiáng)化

      在微流控與電催化耦合系統(tǒng)的微通道中，傳質(zhì)過程得到了顯著強(qiáng)化。首先，微通道的微小尺寸極大地縮短了反應(yīng)物分子的擴(kuò)散路徑。以典型的微通道尺寸（寬度為 100 微米）為例，與宏觀反應(yīng)容器相比，分子擴(kuò)散距離大幅減小，使得反應(yīng)物能夠在極短時間內(nèi)快速抵達(dá)電極表面參與反應(yīng)。根據(jù)菲克擴(kuò)散定律，擴(kuò)散時間與擴(kuò)散距離的平方成正比，微通道尺寸的減小使得擴(kuò)散時間顯著縮短，反應(yīng)速率相應(yīng)加快。其次，微通道內(nèi)的層流特性雖使分子擴(kuò)散成為主要傳質(zhì)方式，但通過特殊設(shè)計(jì)可有效加速這一過程。例如，前文提及的在微通道中引入不對稱魚骨狀突起結(jié)構(gòu)，能夠在不破壞層流的前提下，誘導(dǎo)流體產(chǎn)生微小的二次流，增強(qiáng)分子的橫向擴(kuò)散，從而大幅提高傳質(zhì)效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在采用此類特殊結(jié)構(gòu)的微通道中，傳質(zhì)系數(shù)可比普通微通道提高數(shù)倍，為電催化反應(yīng)提供了更充足的反應(yīng)物供應(yīng)，有力推動了反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)程。

（2）傳質(zhì) - 反應(yīng)協(xié)同作用機(jī)制

      在耦合系統(tǒng)中，高效傳質(zhì)與電催化反應(yīng)之間存在著緊密的協(xié)同作用。一方面，快速的傳質(zhì)過程確保了電極表面始終能夠維持較高濃度的反應(yīng)物，有效避免了因反應(yīng)物消耗導(dǎo)致的反應(yīng)速率下降。當(dāng)反應(yīng)物在電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時，高效傳質(zhì)能夠迅速補(bǔ)充消耗的反應(yīng)物，使反應(yīng)得以持續(xù)高效進(jìn)行。例如，在電催化二氧化碳還原反應(yīng)中，充足的二氧化碳及時傳輸至電極表面，有助于提高反應(yīng)速率與產(chǎn)物選擇性。另一方面，電催化反應(yīng)產(chǎn)生的電場效應(yīng)能夠進(jìn)一步影響微通道內(nèi)的流體流動與傳質(zhì)過程。電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時，會導(dǎo)致局部離子濃度變化，形成濃度梯度與電場梯度，進(jìn)而引發(fā)電滲流等現(xiàn)象。這種電滲流能夠與流體的自然流動相互疊加，優(yōu)化流體在微通道內(nèi)的分布，進(jìn)一步增強(qiáng)傳質(zhì)效果。例如，在某些設(shè)計(jì)巧妙的耦合系統(tǒng)中，電滲流可使反應(yīng)物在電極表面的分布更加均勻，提高了反應(yīng)的一致性與效率。

（3）反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的提升

     通過高效傳質(zhì)的驅(qū)動，耦合系統(tǒng)在反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)方面取得了顯著提升。在眾多研究案例中，反應(yīng)速率常數(shù)大幅增加。例如，在特定的有機(jī)電合成反應(yīng)中，相較于傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)體系，耦合系統(tǒng)中的反應(yīng)速率常數(shù)可提高 10 - 20 倍。這意味著在相同反應(yīng)條件下，耦合系統(tǒng)能夠在更短時間內(nèi)完成反應(yīng)，極大提高了生產(chǎn)效率。同時，反應(yīng)的活化能顯著降低。理論研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于微流控的高效傳質(zhì)作用，反應(yīng)物分子更容易克服反應(yīng)的能壘，使得反應(yīng)在相對溫和的條件下即可快速進(jìn)行。例如，在一些電催化氧化反應(yīng)中，耦合系統(tǒng)可使反應(yīng)活化能降低 20 - 30 kJ/mol，這不僅降低了反應(yīng)的能耗，還拓寬了反應(yīng)的適用范圍，為一些難以在傳統(tǒng)條件下進(jìn)行的反應(yīng)提供了可行途徑。

四、應(yīng)用案例與成果展示

（1）能源領(lǐng)域的應(yīng)用

1.燃料電池中的應(yīng)用

      在燃料電池領(lǐng)域，微流控與電催化耦合系統(tǒng)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，該系統(tǒng)可用于優(yōu)化燃料電池的陰極與陽極反應(yīng)過程。在陽極，通過微流控通道精確控制氫氣的供應(yīng)與分布，利用高效傳質(zhì)特性確保氫氣能夠迅速擴(kuò)散至電催化劑表面，加速氫氣的氧化反應(yīng)，提高陽極的反應(yīng)速率與電流密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用耦合系統(tǒng)的燃料電池陽極，在相同氫氣流量下，電流密度可比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提高 30% - 50%。在陰極，氧氣的傳輸與還原反應(yīng)同樣受傳質(zhì)限制，耦合系統(tǒng)通過特殊設(shè)計(jì)的微通道結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)氧氣在陰極催化劑層的擴(kuò)散效率，有效降低了氧還原反應(yīng)的過電位，提高了燃料電池的整體性能。研究顯示，使用該耦合系統(tǒng)的燃料電池，其能量轉(zhuǎn)換效率可提升 10% - 15%，為燃料電池的高效應(yīng)用提供了有力支撐。

2.電解水制氫中的應(yīng)用

      在電解水制氫過程中，耦合系統(tǒng)同樣發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)電解水裝置存在傳質(zhì)效率低、能耗高的問題。而基于微流控與電催化耦合的電解水系統(tǒng)，能夠通過微通道的高效傳質(zhì)特性，快速將水電解產(chǎn)生的氫氣與氧氣從電極表面移除，避免氣泡在電極表面的聚集，從而降低電極極化，提高電解水效率。例如，在采用該耦合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置中，電解水的電流密度可在較低電壓下達(dá)到較高水平，在 1.8 V 的槽電壓下，電流密度可達(dá)到 500 mA/cm2 以上，相較于傳統(tǒng)電解槽，能耗降低了 15% - 20%，顯著提升了電解水制氫的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。

（2）化工合成領(lǐng)域的應(yīng)用

1.有機(jī)電合成反應(yīng)

      在有機(jī)電合成領(lǐng)域，耦合系統(tǒng)為眾多復(fù)雜有機(jī)化合物的合成提供了新途徑。以電催化合成精細(xì)化學(xué)品為例，如藥物中間體的合成。傳統(tǒng)合成方法往往步驟繁瑣、產(chǎn)率低且環(huán)境污染大。而利用微流控與電催化耦合系統(tǒng)，能夠精確控制反應(yīng)條件與反應(yīng)物的傳質(zhì)過程。例如，在合成某類含氮雜環(huán)藥物中間體時，通過微通道將反應(yīng)物與催化劑精準(zhǔn)混合，并在電催化作用下，實(shí)現(xiàn)了高效的 C - N 偶聯(lián)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該耦合系統(tǒng)不僅使反應(yīng)速率提高了 5 - 8 倍，而且產(chǎn)物選擇性高達(dá) 95% 以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)化學(xué)合成方法，為有機(jī)合成化學(xué)的綠色化發(fā)展提供了有力手段。

2.納米材料的制備

      在納米材料制備方面，耦合系統(tǒng)具有優(yōu)勢。例如，通過微流控通道精確控制金屬鹽溶液與還原劑的混合比例與流速，在電催化作用下，可實(shí)現(xiàn)納米金屬顆粒的連續(xù)、精準(zhǔn)制備。以制備銀納米顆粒為例，在耦合系統(tǒng)中，銀離子在電極表面被還原成銀原子，微流控的高效傳質(zhì)保證了反應(yīng)體系中銀離子與還原劑的均勻分布，從而制備出尺寸均一、單分散性良好的銀納米顆粒。與傳統(tǒng)濕化學(xué)法相比，該方法制備的銀納米顆粒平均粒徑偏差可控制在 5% 以內(nèi)，且生產(chǎn)效率大幅提高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)，滿足了納米材料在催化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量、高產(chǎn)量的需求。

（3）環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

1.污水凈化中的應(yīng)用

      在污水處理方面，耦合系統(tǒng)可用于電催化降解有機(jī)污染物。通過微流控通道將污水均勻輸送至電催化反應(yīng)區(qū)域，高效傳質(zhì)使得有機(jī)污染物能夠迅速接觸電極表面的活性位點(diǎn)。例如，在處理含有酚類污染物的污水時，在特定電極材料與電催化條件下，酚類物質(zhì)在電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)，逐步降解為二氧化碳和水等無害物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在采用耦合系統(tǒng)的污水處理裝置中，對酚類污染物的去除率在短時間內(nèi)可達(dá)到 90% 以上，且相較于傳統(tǒng)電催化污水處理方法，能耗降低了 30% - 40%，為污水的高效、節(jié)能凈化提供了新的技術(shù)方案。

2.空氣污染物處理中的應(yīng)用

      對于空氣污染物處理，耦合系統(tǒng)也展現(xiàn)出應(yīng)用前景。例如，在處理空氣中的氮氧化物時，可通過微流控裝置將含有氮氧化物的空氣與特定電解液引入電催化反應(yīng)區(qū)域。在電催化作用下，氮氧化物被還原為氮?dú)獾葻o害氣體。微流控的高效傳質(zhì)確保了氮氧化物與電解液中的還原劑充分接觸反應(yīng)，提高了反應(yīng)效率。研究表明，該耦合系統(tǒng)在一定條件下可將氮氧化物的轉(zhuǎn)化率提高至 80% 以上，為改善空氣質(zhì)量提供了一種潛在的有效手段。

五、挑戰(zhàn)與展望

（1）目前存在的挑戰(zhàn)

      盡管微流控與電催化耦合的連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，但目前仍面臨一系列挑戰(zhàn)。在系統(tǒng)構(gòu)建方面，微流控芯片與電極的集成工藝較為復(fù)雜，對微加工技術(shù)要求高，導(dǎo)致制備成本居高不下，限制了大規(guī)模應(yīng)用。例如，在將高精度的電極結(jié)構(gòu)集成到微流控芯片時，需要采用先進(jìn)的光刻、電子束刻蝕等技術(shù)，設(shè)備昂貴且工藝步驟繁瑣。同時，電極材料在微流控環(huán)境中的穩(wěn)定性有待提高，長期運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)腐蝕、活性降低等問題。在反應(yīng)過程調(diào)控方面，微尺度下的多物理場耦合現(xiàn)象（如電場、流場、濃度場等）極為復(fù)雜，精確控制反應(yīng)條件難度較大。例如，電催化反應(yīng)產(chǎn)生的電場對微通道內(nèi)流體流動的影響規(guī)律尚未明晰，難以實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程的精準(zhǔn)優(yōu)化。此外，目前該耦合系統(tǒng)的放大技術(shù)尚不成熟，從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模向工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的轉(zhuǎn)化面臨諸多難題，如如何保證在大規(guī)模生產(chǎn)中仍能維持微尺度下的高效傳質(zhì)與反應(yīng)性能一致性等。

（2）未來發(fā)展方向與研究重點(diǎn)

      未來，針對上述挑戰(zhàn)，該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)將集中在以下幾個方向。在系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)創(chuàng)新方面，開發(fā)新型的低成本、高精度微加工技術(shù)，探索更簡便、高效的微流控芯片與電極集成方法，如采用 3D 打印等新興技術(shù)實(shí)現(xiàn)一體化制備，降低生產(chǎn)成本。同時，致力于研發(fā)新型的穩(wěn)定電極材料，通過材料改性、表面修飾等手段提高電極在微流控環(huán)境中的穩(wěn)定性與耐久性。在反應(yīng)過程精準(zhǔn)調(diào)控方面，深入研究微尺度下多物理場耦合的復(fù)雜機(jī)制，借助先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)（如計(jì)算流體力學(xué)與電化學(xué)耦合模擬），建立精確的反應(yīng)過程模型，實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)條件的精準(zhǔn)預(yù)測與優(yōu)化。此外，加大對耦合系統(tǒng)放大技術(shù)的研究力度，探索基于 “數(shù)量放大”“模塊集成” 等理念的放大策略，開發(fā)適用于工業(yè)化生產(chǎn)的大型微流控與電催化耦合裝置，推動該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用，為化工、能源、環(huán)境等領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

產(chǎn)品展示

      SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)主要用于電催化反應(yīng)和光電催化劑的性能評價，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)流和循環(huán)連續(xù)流實(shí)驗(yàn)，配置反應(yīng)液體控溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主要用于光電催化CO2還原反應(yīng)全自動在線檢測系統(tǒng)分析，光電催化、N2催化還原，電催化分析、燃料電池、電解水等。

      SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)將氣路液路系統(tǒng)、光電催化反應(yīng)池、在線檢測設(shè)備等進(jìn)行智能化、微型化、模塊化設(shè)計(jì)并集成為一套裝置，通過兩路氣路和兩路液路的不同組合實(shí)現(xiàn)電催化分析，并采用在線檢測體系對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析?？梢赃m配市面上多數(shù)相關(guān)的電解池，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求定制修改各種電催化池。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

● 將光源、電化學(xué)工作站、電催化反應(yīng)池、管路切換和氣相色譜模塊化集成化系統(tǒng)化；

● PLC控制系統(tǒng)集成氣路、液路控制、溫度控制、壓力控制、閥體切換、流路顯示等；

● 主要用于半導(dǎo)體材料的光電催化流動相CO2還原反應(yīng)活性評價等；

● 用于半導(dǎo)體材料的光電催化流動相H2O分解產(chǎn)氫、產(chǎn)氧活性評價、N2還原、電催化等；

● 微量反應(yīng)系統(tǒng)，極低的催化劑用量；

● 導(dǎo)電電極根據(jù)需要可表面鍍金、鈀或鉑，導(dǎo)電性能佳，耐化學(xué)腐蝕；

● 標(biāo)配光電反應(yīng)池，可實(shí)現(xiàn)兩室三電極體系或三室三電極體系，采用純鈦材質(zhì)，耐壓抗腐蝕

● 可適用于氣-固-液三相界面的催化反應(yīng)體系，也可適用于陰陽極液流循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)；

● 測試范圍廣，CO2、CO、CH4、甲醇、氫氣、氧氣、烴類等微量氣體。