电化学流动池技术突破：新型结构与材料的协同效应

一、引言

      电化学流动池技术作为一种新兴且具潜力的技术，在能源存储与转化、化工合成、环境修复等诸多领域展现出优势。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，而流动池技术通过引入电解液的流动，有效改善了反应体系的物质传输过程，显著提升了电化学反应的性能。近年来，随着对高效、绿色、可持续化学过程需求的不断增长，科研人员致力于开发新型结构与材料，期望通过二者的协同效应进一步突破电化学流动池技术的性能瓶颈。新型结构的设计旨在优化流动池内的流体力学条件和电场分布，而新型材料的研发则聚焦于提高电极的催化活性、稳定性和选择性。二者的协同作用能够从多个维度提升流动池的性能，如提高反应速率、降低能耗、增强产物选择性等，为该技术的大规模实际应用奠定基础。

二、电化学流动池技术基础

2.1 工作原理

      电化学流动池的工作基于电化学反应原理，当电解液在外部驱动力（如压力泵）作用下流经电极表面时，电极上施加的电势促使反应物在电极表面发生氧化还原反应。以常见的电催化二氧化碳还原反应为例，二氧化碳在阴极表面得到电子，经过一系列复杂的电子转移步骤和中间体形成过程，被还原为一氧化碳、甲烷、甲酸等产物，同时阳极发生相应的氧化反应，如析氧反应。在这个过程中，电解液不仅作为反应物和产物的传输介质，还参与维持电荷平衡，确保电化学反应的持续进行。流动的电解液不断补充反应物至电极表面，同时迅速带走产物，避免了反应物浓度在电极表面的过度消耗和产物的积累，从而维持反应的高效进行。

2.2 传统结构与材料的局限

      传统电化学流动池在结构方面，电解液层较厚，导致反应物和产物的扩散路径长，传质效率低。例如，在静态或常规流动模式下，二氧化碳在电解液中的扩散速率有限，使得其到达电极表面参与反应的量不足，限制了反应速率和电流密度的提升。而且传统结构的流道设计可能存在死区，流体在这些区域流速极低甚至停滞，导致反应物无法充分利用，影响整体反应效率。

      在材料方面，传统电极材料的催化活性和选择性难以满足实际应用需求。以二氧化碳电还原反应为例，许多传统催化剂对目标产物的选择性较低，容易发生析氢等副反应，消耗大量电能且降低产物纯度。同时，传统催化剂的稳定性不足，在长时间的电化学反应过程中，容易因结构变化、杂质吸附等原因导致活性下降，影响流动池的长期稳定运行。此外，传统的电解液材料在溶解性、导电性和化学稳定性等方面也存在一定缺陷，限制了反应体系的性能优化。

三、新型结构的创新设计

3.1 薄层流动池

      薄层流动池通过极大地减小电解液层的厚度，对提升传质效率具有显著效果。一般而言，其电解液层厚度可控制在几十微米甚至更低，相较于传统流动池大幅缩短了反应物和产物的扩散路径。以电催化二氧化碳还原反应为例，在薄层流动池中，二氧化碳从本体溶液扩散到电极表面的时间显著缩短，能够快速参与反应，使得反应速率大幅提高。同时，由于扩散路径缩短，欧姆电阻降低，能量损耗也相应减少。有研究表明，在相同的反应条件下，薄层流动池中的二氧化碳传质速率可比传统流动池提高数倍，从而实现更高的电流密度，提升了整体反应效率。此外，薄层结构还能使电场分布更加均匀，有利于反应的均匀进行，提高产物的一致性。

3.2 微流控流动池

      微流控流动池利用微通道的特殊结构和流体力学特性，实现了对反应过程的精确控制。微通道的尺寸通常在微米级别，这种微小尺度赋予了流的流动特性，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，为精确控制反应试剂的混合比例和反应进程提供了可能。在微流控流动池中，可以通过设计不同的微通道布局和连接方式，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电解液和气体反应物的流速和流量比，能够有效调节反应的局部环境，提高目标产物的选择性。而且，微流控流动池非常适合用于研究电催化反应机理，在微观尺度下对反应过程进行实时监测和分析，有助于深入理解反应动力学和中间产物的生成与转化过程，为优化宏观流动池的设计和反应条件提供理论基础。

3.3 气体扩散电极（GDE）型流动池

      GDE 型流动池凭借其的气体扩散层设计，在提高二氧化碳利用效率和抑制副反应方面表现出色。在该类型流动池中，气体扩散层允许二氧化碳气体直接与催化剂表面接触，避免了二氧化碳在电解液中的大量溶解损失。传统流动池中，二氧化碳需先溶解在电解液中再扩散至电极表面反应，这一过程中存在较大的传质阻力且部分二氧化碳会因溶解平衡而损失。而 GDE 型流动池使二氧化碳能够以气相形式高效传输至催化剂活性位点，大大提高了二氧化碳的利用效率。同时，由于气体扩散层的存在，能够有效改变电极表面的局部环境，抑制析氢等副反应的发生。例如，在电催化二氧化碳还原反应中，析氢反应通常在高电流密度下容易发生，与二氧化碳还原反应竞争电子，降低产物选择性。但在 GDE 型流动池中，通过合理设计气体扩散层和电极结构，能够调节电极表面的电场分布和反应物浓度分布，减少析氢反应的发生概率，提高目标产物（如一氧化碳、甲酸等）的选择性，从而提升整个反应体系的性能。

四、新型材料的研发进展

4.1 具有特殊结构的纳米材料

       具有特殊结构的纳米材料，如纳米管、纳米线、多孔结构等，在提升电极催化性能方面具有显著优势。这些纳米材料具有极大的比表面积，能够提供丰富的活性位点，增加反应物与催化剂的接触面积，从而提高反应速率。以纳米管为例，其管状结构不仅提供了高比表面积，还能引导反应物和产物的传输方向，促进物质在电极表面的吸附和脱附过程。在电催化反应中，纳米管电极能够有效增强对反应物分子的富集作用，使反应物在活性位点附近的浓度显著提高，加快反应动力学过程。多孔结构的纳米材料同样具有优异的性能，其内部错综复杂的孔道结构进一步增大了比表面积，同时有利于电解液的渗透和扩散，使电极在反应过程中能够充分与电解液接触，提高了电极的利用率。例如，多孔纳米结构的催化剂在电催化析氧反应中，能够在较低的过电位下实现较高的电流密度，展现出良好的催化活性和稳定性。

4.2 复合载体材料

      将催化剂与载体材料进行复合是提高电极性能的重要手段。载体材料在这一复合体系中发挥着多重关键作用。一方面，载体材料能够显著提高催化剂的分散性，使催化剂颗粒均匀分布在载体表面，避免催化剂团聚，从而充分发挥催化剂的活性。例如，将金属催化剂负载在具有高比表面积的碳纳米管、石墨烯等碳基材料上，碳基材料的大比表面积为催化剂提供了丰富的附着位点，有效阻止了催化剂颗粒的聚集长大，确保了催化剂活性位点的充分暴露。另一方面，载体材料能通过与催化剂之间的相互作用调节其电子结构。这种电子结构的调节可以改变催化剂对反应物的吸附和活化能力，进而提升催化活性和选择性。以负载型金属催化剂为例，载体与金属催化剂之间可能存在电子转移，使得金属催化剂表面的电子云密度发生变化，优化了反应物分子在催化剂表面的吸附模式，有利于目标反应路径的进行，提高了对特定产物的选择性。此外，载体材料还能增强电极的整体稳定性，在电化学反应过程中保护催化剂免受腐蚀和结构破坏，延长电极的使用寿命。

五、新型结构与材料的协同效应机制

5.1 提高传质效率

      新型结构与材料在提高传质效率方面存在显著的协同作用。例如，在 GDE 型流动池中采用具有多孔结构的纳米材料作为电极催化剂，气体扩散层使二氧化碳气体能够高效传输至电极表面，而多孔纳米材料的复杂孔道结构则进一步促进了电解液在电极内部的渗透和扩散，使得二氧化碳与电解液中的反应物种能够在电极活性位点附近快速混合，极大地提高了传质效率。在这种协同作用下，反应物能够迅速到达反应区域，产物也能及时被带走，维持了反应的高效进行。又如，微流控流动池的精确流体控制与具有高比表面积的纳米管电极材料相结合，微流控通道能够精准输送反应物至纳米管电极表面，纳米管的高比表面积增加了反应物的吸附量，二者协同使得传质过程更加高效，反应速率大幅提升。通过结构与材料的协同优化传质效率，能够有效提高反应体系的电流密度，实现更高效的电化学反应。

5.2 改善局部反应环境

      新型结构与材料的协同对改善局部反应环境具有重要意义。以薄层流动池搭配复合载体材料电极为例，薄层结构能够快速带走反应产生的热量和副产物，避免电极表面过热和副产物积累对反应性能的负面影响。同时，复合载体材料中的载体部分可以通过自身的物理化学性质调节电极表面的微环境，如改变表面电荷分布、调节局部 pH 值等。例如，一些具有酸碱缓冲能力的载体材料能够在反应过程中维持电极表面 pH 值的相对稳定，有利于特定反应的进行。在电催化二氧化碳还原制甲酸的反应中，这种协同作用能够确保反应在适宜的局部环境下进行，提高甲酸的产率和选择性。又如，在气体扩散电极型流动池中，气体扩散层与具有特殊电子结构的纳米材料催化剂协同作用，气体扩散层控制气体反应物的供应速率，纳米材料催化剂的特殊电子结构优化反应物的吸附和活化过程，二者共同营造了有利于目标反应的局部反应环境，抑制了副反应的发生，提升了反应的整体性能。

5.3 降低能耗

      新型结构与材料的协同能够有效降低电化学流动池的能耗。从结构方面来看，薄层流动池通过减小电解液层厚度降低了溶液电阻，减少了电能在传输过程中的损耗。从材料角度，具有高催化活性的新型纳米材料和优化电子结构的复合载体材料电极，能够降低反应的过电位，使反应在较低的电压下就能高效进行。例如，将纳米线结构的催化剂负载在具有良好导电性和电子调节能力的复合载体上，纳米线的高活性位点降低了反应活化能，复合载体改善了电子传输效率，二者协同使得电催化反应能够在较低的槽压下实现高电流密度运行，减少了电能消耗。此外，合理的结构设计如微流控流动池对流体的精确控制，避免了不必要的能量浪费，与高效的材料相结合，进一步降低了整个流动池系统的能耗，提高了能源利用效率，为大规模应用提供了更经济可行的方案。

六、原位表征技术对协同效应研究的作用

6.1 实时监测反应动态

      原位表征技术能够在电化学反应进行的同时，实时监测反应体系中的动态变化。例如，原位光谱技术中的原位红外光谱可以实时捕捉反应过程中分子振动信息的变化，从而监测反应中间体的生成与转化。在研究新型结构与材料协同作用下的电催化二氧化碳还原反应时，通过原位红外光谱能够观察到二氧化碳在特定结构的流动池和材料表面吸附后形成的不同中间体，以及这些中间体如何随着反应时间和条件变化而进一步反应生成产物。这有助于深入了解在新型结构提供的特殊反应环境下，新型材料对反应路径的影响机制，明确结构与材料协同作用在反应动态过程中的具体表现。原位 X 射线技术中的原位 X 射线吸收光谱能够实时提供催化剂在反应过程中的电子结构和配位环境变化信息。通过监测在不同流动池结构中使用新型材料作为催化剂时，其电子结构随反应进程的改变，能够揭示结构与材料协同如何影响催化剂的活性位点和反应机理，为优化协同效应提供关键的实时动态数据。

6.2 揭示协同机制

      借助原位表征技术，可以深入揭示新型结构与材料的协同机制。例如，电化学石英晶体微天平能够在反应过程中实时测量电极表面质量的微小变化，结合其他原位表征手段，能够分析在不同流动池结构中，新型材料电极表面物质的吸附、脱附以及反应引起的质量变化情况。通过研究在薄层流动池结构中使用复合载体材料电极时，电极表面质量变化与反应电流、产物生成之间的关系，能够明确结构因素（如薄层促进传质）如何与材料因素（如复合载体调节催化剂活性）协同作用，影响反应的进行。此外，通过原位表征技术对不同反应条件下的多组实验数据进行综合分析，能够构建出完整的协同作用模型，从微观层面解释新型结构与材料如何通过相互配合，在提高传质效率、改善局部反应环境和降低能耗等方面发挥协同效应，为进一步优化流动池技术提供坚实的理论依据。

七、应用前景与挑战

7.1 能源领域应用

      在能源存储与转化方面，电化学流动池技术具有广阔的应用前景。例如，在电催化二氧化碳还原领域，通过新型结构与材料的协同优化，能够高效地将二氧化碳转化为高附加值的燃料和化学品，如一氧化碳、甲烷、甲醇等，实现二氧化碳的资源化利用，同时将间歇性的可再生能源（太阳能、风能等）以化学能的形式存储在产物中，有助于构建可持续的能源体系。在新型电池体系中，如流动电池，利用新型结构设计优化电解液的流动和离子传输，结合高性能的电极材料，能够提高电池的充放电效率、容量和循环稳定性，为大规模储能提供更可靠的解决方案。此外，在电解水制氢领域，新型结构与材料协同作用的流动池能够在较低能耗下实现高效的析氢和析氧反应，提高氢气的生产效率，为氢能的大规模应用奠定基础。

7.2 化工合成领域应用

      在化工合成领域，电化学流动池技术借助新型结构与材料的协同优势，能够实现绿色、高效的有机合成过程。例如，在有机电合成反应中，通过设计合适的流动池结构，如微流控流动池实现对反应条件的精确控制，搭配具有高选择性的新型催化剂材料，能够定向合成特定结构的有机化合物，避免传统化学合成方法中使用大量有毒有害试剂和产生大量副产物的问题。以合成药物中间体为例，利用电化学流动池技术，在温和的反应条件下，通过新型结构与材料的协同作用，能够高效、高选择性地合成目标产物，提高合成效率和产品纯度，降低生产成本，同时减少对环境的污染，符合绿色化学的发展理念。

7.3 面临的挑战

      尽管电化学流动池技术在新型结构与材料协同方面取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。在材料方面，新型材料的制备工艺往往较为复杂且成本高昂，限制了其大规模应用。例如，一些具有特殊结构的纳米材料和高性能复合载体材料的合成需要精密的仪器设备和复杂的化学反应过程，导致材料成本居高不下。而且部分新型材料在长期的电化学反应过程中，其结构和性能的稳定性仍有待提高，容易出现催化剂失活、载体腐蚀等问题。在结构设计方面，虽然新型流动池结构展现出诸多优势，但实际规模化应用时，面临工程放大的难题。例如，如何在扩大流动池尺寸的同时保持其内部流体分布的均匀性和反应性能的一致性，以及如何解决大规模装置中结构复杂性带来的制造、维护成本增加等问题。此外，目前对于新型结构与材料协同效应的深入理解还存在不足，需要进一步加强基础研究，建立更加完善的理论模型，以指导实际应用中的优化设计。

八、结论

      电化学流动池技术中新型结构与材料的协同效应为提升其性能带来了显著突破。新型结构如薄层流动池、微流控流动池和 GDE 型流动池，分别通过设计改善了传质效率、实现了反应过程的精确控制以及提高了反应物利用效率和抑制副反应。新型材料包括具有特殊结构的纳米材料和复合载体材料，在提供丰富活性位点、调节催化剂电子结构以及增强电极稳定性等方面发挥了重要作用。二者的协同作用从提高传质效率、改善局部反应环境到降低能耗等多方面优化了流动池性能，原位表征技术则为深入理解这种协同机制提供了关键手段。在应用方面，该技术在能源和化工合成等领域展现出广阔前景，但同时也面临材料成本、稳定性以及工程放大等挑战。未来，需要进一步加强材料制备工艺的优化、深入研究结构与材料的协同机制，并攻克工程应用中的难题，以推动电化学流动池技术从实验室研究迈向大规模实际应用，为实现高效、绿色、可持续的化学过程和能源转化利用提供有力支撑 。

产品展示

       SSC-SOFCSOEC80系列高温平板电池夹具，适用于固体氧化物电池测试SOFC和电热催化系统评价SOEC。其采用氧化铝陶瓷作为基本材料，避免了不锈钢夹具在高温下的Cr 挥发，因此可以排除Cr挥发对于阴极性能的影响；采用铂金网作为电流收集材料，不需要设置筋条结构，因此可以认为气体的流动、扩散基本没有“死区”，可以尽可能地释放出电池的性能；夹具的流场也可以根据需要调整为对流或顺流，可以考察流动方式的影响。对于电池的寿命可以更加准确地进行测试和判断，特别是电池供应商，表征产品在理想情况(即排除不合理流场干扰等)下的性能，所以多采用此类夹具。

       产品优势：

1、 SOFC 平板型评价夹具可对应 20*20mm，30*30mm，耐温900℃。

2、全陶瓷制可避免金属内不良元素的影响,适合耐久性实验。

3、高温弹簧构造排除了构成材料内热应力的影响。

4、可定制客户要求的尺寸。

5、气体密闭采用了高温弹簧压缩电池的方法，

6、更换及电炉里的装配电流端子，电压端子，热电偶端子，输气和排气口，气体流量Max 2L/min；

7、铂金集流体和铂金电压、电流线。