連續(xù)流技術(shù)憑借傳質(zhì)效率高、反應(yīng)條件可控性強(qiáng)、安全性佳等優(yōu)勢(shì)，為電催化反應(yīng)的規(guī)模化應(yīng)用提供了核心支撐。本文圍繞電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)的構(gòu)建邏輯與優(yōu)化路徑展開(kāi)研究，從反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵組件選型、工藝參數(shù)調(diào)控三個(gè)核心維度，系統(tǒng)分析了連續(xù)流技術(shù)與電催化反應(yīng)的適配機(jī)制。通過(guò)優(yōu)化微通道結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳質(zhì) - 催化協(xié)同效應(yīng)，篩選適配電極材料提升電化學(xué)活性與穩(wěn)定性，最終構(gòu)建了高效、穩(wěn)定、可放大的電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)在目標(biāo)反應(yīng)中轉(zhuǎn)化率較傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)提升 30% 以上，能耗降低 25%，為電催化技術(shù)的工業(yè)落地提供了可行方案與技術(shù)參考。

1 引言

     電催化反應(yīng)作為一種綠色高效的合成與轉(zhuǎn)化技術(shù)，在有機(jī)合成、能源轉(zhuǎn)化、廢水處理等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。但傳統(tǒng)間歇式電催化反應(yīng)存在傳質(zhì)效率低、反應(yīng)條件不均、規(guī)模化困難等瓶頸，限制了其工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程。

     連續(xù)流技術(shù)通過(guò)將反應(yīng)體系置于連續(xù)流動(dòng)的通道中進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物精準(zhǔn)混合、反應(yīng)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)控，同時(shí)縮小反應(yīng)體積、提升過(guò)程安全性，為解決傳統(tǒng)電催化反應(yīng)的痛點(diǎn)提供了有效途徑。近年來(lái)，連續(xù)流與電催化的融合成為研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)有系統(tǒng)仍存在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與反應(yīng)需求不匹配、關(guān)鍵組件兼容性不足、工藝參數(shù)協(xié)同優(yōu)化不足等問(wèn)題。

      基于此，本文聚焦電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組件選型、工藝調(diào)控三個(gè)層面展開(kāi)深入研究，旨在開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的連續(xù)流電催化反應(yīng)平臺(tái)，為電催化技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 反應(yīng)器核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

     反應(yīng)器作為連續(xù)流電催化反應(yīng)的核心載體，其結(jié)構(gòu)直接影響傳質(zhì)效率與催化效果。采用微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通道內(nèi)徑控制在 100-500μm，通過(guò)增加比表面積強(qiáng)化電極與反應(yīng)物的接觸。

     設(shè)計(jì)同軸式電極布局，陽(yáng)極與陰極分別采用管狀與棒狀結(jié)構(gòu)，確保電場(chǎng)均勻分布；通道內(nèi)設(shè)置擾流單元，通過(guò)優(yōu)化擾流片角度（30°-60°）與間距（500-1000μm），破壞邊界層形成，提升傳質(zhì)系數(shù)。

     同時(shí)，反應(yīng)器集成溫度控制模塊與壓力調(diào)節(jié)裝置，溫度控制精度 ±0.5℃，工作壓力范圍 0.1-1.0MPa，滿足不同電催化反應(yīng)的工況需求。

2.2 關(guān)鍵組件選型與適配

     電極材料選用基于催化需求的功能化材料，陽(yáng)極采用 Ti/RuO?涂層電極，陰極選用 Pt/C 修飾的石墨電極，兼顧導(dǎo)電性、催化活性與穩(wěn)定性。

     流體輸送系統(tǒng)采用高精度蠕動(dòng)泵，流量控制范圍 0.1-10mL/min，精度 ±1%，確保反應(yīng)物穩(wěn)定連續(xù)進(jìn)料；電源模塊選用直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，輸出電壓 0-50V、電流 0-10A，支持恒壓、恒流兩種工作模式，適配不同電催化反應(yīng)機(jī)制。

     此外，系統(tǒng)配備在線檢測(cè)模塊，通過(guò)高效液相色譜（HPLC）或電化學(xué)工作站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程，為工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 系統(tǒng)集成與流程設(shè)計(jì)

     采用模塊化設(shè)計(jì)理念，將進(jìn)料單元、反應(yīng)單元、檢測(cè)單元、收集單元有序集成，各單元通過(guò)耐腐管路連接，拆卸便捷，便于維護(hù)與組件替換。

     反應(yīng)流程設(shè)計(jì)為：反應(yīng)物經(jīng)進(jìn)料單元精準(zhǔn)計(jì)量后，進(jìn)入預(yù)熱模塊升溫至設(shè)定溫度，隨后流入反應(yīng)單元在電場(chǎng)作用下發(fā)生電催化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)冷卻模塊降溫后，一部分進(jìn)入在線檢測(cè)單元分析成分，另一部分收集備用。系統(tǒng)設(shè)置旁路與回流裝置，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)液循環(huán)反應(yīng)，提升目標(biāo)產(chǎn)物收率。

3 電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化策略

3.1 傳質(zhì)過(guò)程優(yōu)化

     傳質(zhì)效率是影響電催化反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素，通過(guò)調(diào)控流體流速實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)強(qiáng)化。實(shí)驗(yàn)表明，流速在 1-5mL/min 范圍內(nèi)時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率隨流速升高而顯著提升，當(dāng)流速超過(guò) 5mL/min 后，轉(zhuǎn)化率提升趨于平緩，綜合考慮能耗與效率，確定優(yōu)流速范圍為 3-5mL/min。

     通過(guò)改變反應(yīng)器通道截面形狀（圓形→矩形），增加流體湍流程度，進(jìn)一步提升傳質(zhì)效率，相較于圓形通道，矩形通道的傳質(zhì)系數(shù)提升 20%-25%。此外，在反應(yīng)體系中加入適量表面活性劑，降低液 - 固界面張力，也可促進(jìn)反應(yīng)物向電極表面擴(kuò)散。

3.2 電化學(xué)參數(shù)調(diào)控

     電壓與電流密度的優(yōu)化直接影響電催化反應(yīng)的選擇性與能耗。以目標(biāo)反應(yīng)為對(duì)象，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)確定優(yōu)電化學(xué)參數(shù)：當(dāng)電壓為 10-15V、電流密度為 50-80mA/cm2 時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)物收率最高，副反應(yīng)最少。

     采用脈沖供電模式替代傳統(tǒng)直流供電，脈沖頻率 10-50Hz、占空比 50%-70%，可減少電極表面積碳與鈍化，延長(zhǎng)電極使用壽命，同時(shí)提升反應(yīng)選擇性。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，脈沖供電模式下電極穩(wěn)定性提升 40% 以上，目標(biāo)產(chǎn)物選擇性提高 15%-20%。

3.3 反應(yīng)條件協(xié)同優(yōu)化

     基于響應(yīng)面法構(gòu)建多因素優(yōu)化模型，以流速、電壓、溫度為自變量，目標(biāo)產(chǎn)物收率為響應(yīng)值，進(jìn)行三因素三水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，溫度與電壓存在顯著協(xié)同效應(yīng)，當(dāng)溫度為 40-60℃、電壓為 12-14V、流速為 4-5mL/min 時(shí)，系統(tǒng)綜合性能優(yōu)，目標(biāo)產(chǎn)物收率可達(dá) 90% 以上。

     同時(shí)，優(yōu)化電解質(zhì)濃度與種類，選用 0.1-0.5mol/L 的硫酸鹽或氯酸鹽體系，確保反應(yīng)體系導(dǎo)電性的同時(shí)，避免電解質(zhì)與反應(yīng)物發(fā)生副反應(yīng)。

4 系統(tǒng)性能驗(yàn)證與應(yīng)用案例

4.1 性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

      以某有機(jī)合成反應(yīng)為模型反應(yīng)，對(duì)優(yōu)化后的電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。結(jié)果顯示，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性良好，連續(xù)運(yùn)行 72h 內(nèi)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率維持在 92%-95%，產(chǎn)物選擇性穩(wěn)定在 88%-90%，無(wú)明顯下降趨勢(shì)。

     與傳統(tǒng)間歇式電催化反應(yīng)系統(tǒng)相比，優(yōu)化后的連續(xù)流系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率提升 35%，反應(yīng)時(shí)間縮短 60%，單位產(chǎn)物能耗降低 28%，展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4.2 工業(yè)應(yīng)用潛力分析

     將該系統(tǒng)應(yīng)用于精細(xì)化工中間體合成與工業(yè)廢水處理兩個(gè)典型場(chǎng)景，均取得良好效果。在精細(xì)化工領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了某醫(yī)藥中間體的連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)物純度達(dá) 99.2%，滿足工業(yè)級(jí)需求；在廢水處理領(lǐng)域，對(duì)含酚廢水的降解率達(dá) 98% 以上，COD 去除率超過(guò) 90%，處理后的廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

     系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的放大生產(chǎn)，通過(guò)增加通道數(shù)量或延長(zhǎng)反應(yīng)通道長(zhǎng)度，可將處理量提升至工業(yè)級(jí)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論與展望

     本文成功構(gòu)建了基于連續(xù)流技術(shù)的電催化反應(yīng)系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵組件選型與工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳質(zhì)效率與催化性能的協(xié)同提升。該系統(tǒng)具有反應(yīng)效率高、穩(wěn)定性好、能耗低、可放大等優(yōu)勢(shì)，在有機(jī)合成、廢水處理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

     未來(lái)研究可聚焦三個(gè)方向：一是開(kāi)發(fā)新型高效電極材料與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)催化性能；二是拓展系統(tǒng)在更多復(fù)雜反應(yīng)體系中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景適配；三是結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建智能化反應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的自主調(diào)控與優(yōu)化，推動(dòng)電催化連續(xù)流技術(shù)向更高水平發(fā)展。

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(píng)價(jià)，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(dòng)在線檢測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)體系對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析。可以適配市面上多數(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。