針對傳統單層電合成反應池傳質效率低、空間利用率不足、電流密度受限等問題，多層電合成流動反應池憑借其層疊式結構設計與強化傳質特性，成為綠色電合成領域的研究熱點。本文從多層反應池的結構設計原理出發，系統闡述流道構型優化、電極界面改性、層間協同調控等關鍵傳質優化技術，結合流體力學模擬與實驗驗證，分析不同優化策略對反應池電流效率、產物選擇性、時空產率等核心性能指標的影響規律，并探討其在有機電合成、二氧化碳資源化等領域的應用前景，為多層電合成流動反應池的工業化推廣提供理論與技術支撐。

一、引言

      電合成技術以電子為 “綠色試劑"，可在溫和條件下實現有機合成、污染物降解、資源回收等反應，契合當前化工行業低碳化轉型需求。流動反應池因反應物連續流動、產物及時分離的特點，相較于傳統釜式反應器具有更高的反應效率與安全性，已廣泛應用于電合成領域。

       然而，傳統單層流動反應池存在電極面積與反應器體積比偏低、反應物在電極表面停留時間短、傳質阻力大等缺陷，導致反應電流密度與產物選擇性難以突破。多層電合成流動反應池通過層疊式電極排布與模塊化設計，大幅提升單位體積內的有效反應面積，同時通過流道構型優化與層間協同調控，強化反應物向電極表面的傳遞速率，為解決傳質限制問題提供了有效路徑。

      本文聚焦多層電合成流動反應池的傳質優化技術與性能提升方法，梳理結構設計、界面調控、操作參數優化等方面的研究進展，旨在為該類反應器的設計升級與工業化應用提供參考。

二、多層電合成流動反應池的結構設計基礎

       多層電合成流動反應池的核心優勢源于其層疊式結構與精準的流場調控，合理的結構設計是實現傳質優化的前提。其基本結構主要由電極單元、流道單元、密封單元、集電單元四部分組成，各單元的設計參數直接影響傳質效率與反應性能。

2.1 電極單元設計

      電極是電合成反應的核心位點，多層反應池的電極單元通常采用 “陽極 - 隔膜 - 陰極" 的三明治結構，并將該基礎單元進行層疊，形成多組串聯或并聯的反應模塊。

       電極材料與形貌：優先選用多孔金屬、碳基材料（如石墨氈、碳納米管陣列）等具有高比表面積的電極，增大反應物與電極的接觸概率；對于催化性能要求較高的反應，可通過負載 Pd、Pt、MnO?等催化劑提升反應活性位點數量。

       電極排布方式：串聯排布可提升反應的總電勢，適用于需要高電位驅動的反應；并聯排布可增大反應通量，適用于規模化生產場景。層間電極間距需精準控制，間距過大會增加傳質距離，過小則易導致流體阻力過大，通常控制在 0.5~5 mm 范圍內。

2.2 流道單元設計

      流道是反應物流動的通道，其構型直接決定流體的流動狀態與傳質路徑。多層反應池的流道單元需保證各層流體分布均勻，避免出現 “死區" 或流速不均的現象。

      流道構型分類：常見的流道構型包括蛇形流道、叉指形流道、平行流道等。蛇形流道可延長反應物在池內的停留時間，適用于慢反應體系；叉指形流道通過分流與匯流強化流體擾動，降低邊界層厚度，提升傳質系數；平行流道結構簡單，流體阻力小，適用于大通量反應場景。

      層間流場協同：多層反應池需設計統一的進 / 出液口與分流結構，確保各層流道的流速一致。可通過數值模擬（如 CFD）優化流道的長寬比、進出口位置，避免因層間壓力差導致的流體分布不均。

2.3 密封與集電單元設計

     密封單元采用耐酸堿、耐有機溶劑的材料（如氟橡膠、聚四氟乙烯），防止層間滲漏，保證反應的穩定性；集電單元需選用導電性好、耐腐蝕的材料（如鈦合金、銅排），降低接觸電阻，避免因 IR 降過大導致的能量損耗。

三、多層電合成流動反應池的傳質優化關鍵技術

      傳質過程是電合成反應的限速步驟，主要包括反應物從主體溶液向電極表面的擴散、反應物在電極表面的吸附、產物從電極表面脫附并擴散至主體溶液三個階段。針對多層反應池的結構特點，可通過以下技術手段強化傳質效率。

3.1 流道流體力學優化

      流體的流動狀態直接影響邊界層厚度，層流狀態下邊界層較厚，傳質阻力大；湍流狀態下流體擾動增強，邊界層變薄，傳質效率顯著提升。

      基于 CFD 的流道模擬優化：利用計算流體動力學軟件（如 Fluent、COMSOL）模擬不同流道構型下的流速分布、壓力分布與剪切力分布，預測傳質系數的變化規律。例如，在蛇形流道中增設擾流柱，可增強流體擾動，將邊界層厚度降低 30%~50%。

      操作參數調控：通過提升進液流速、優化反應溫度等操作參數，強化流體的對流擴散。流速提升可增大流體的雷諾數，促進層流向湍流轉變；溫度升高可增大反應物的擴散系數，降低溶液黏度，進一步提升傳質速率。但需注意，流速過高會增加能耗，溫度過高可能導致副反應加劇，需結合具體反應體系進行優化。

3.2 電極界面改性技術

     電極表面的物理化學性質直接影響反應物的吸附與傳質效率，通過界面改性可有效提升電極的傳質性能與催化活性。

     多孔化改性：采用電化學蝕刻、模板法、燒結法等方式制備多孔電極，增大電極的比表面積與粗糙程度。例如，將金屬鈦電極進行陽極氧化處理，制備 TiO?納米管陣列電極，其比表面積較光滑電極提升 10 倍以上，顯著增強反應物的吸附能力。

      催化劑負載與功能化修飾：在電極表面負載高活性催化劑，并通過表面修飾引入親水性或疏水性基團，調控反應物與電極的相互作用。例如，在碳氈電極表面負載 Cu 納米顆粒，并修飾羧基基團，可增強對 CO?的吸附與活化，提升 CO?電還原的產物選擇性。

      電極表面親疏水性調控：通過等離子體處理、化學接枝等方法調控電極表面的親疏水性，使反應物更易在電極表面鋪展，降低傳質阻力。例如，將電極表面改性為親水性，可促進水溶液中反應物的吸附；改性為疏水性，則適用于有機溶劑體系的電合成反應。

3.3 層間電位協同調控

      多層反應池的各層電極可獨立調控電位，通過設計合理的電位梯度，實現層間傳質與反應的協同強化。

      串聯電位調控：對于分步反應體系，可在不同層電極設置不同的電位，使反應物在逐層流動過程中完成多步反應，避免中間產物的累積，提升產物收率。例如，在醇類氧化反應中，第一層電極設置低電位實現醇向醛的轉化，第二層電極設置高電位實現醛向羧酸的轉化，中間產物無需分離，直接連續反應。

     電位脈沖調控：采用脈沖電位代替恒定電位，可減少電極表面的產物吸附與鈍化，強化產物脫附過程。脈沖電位的 “氧化 - 還原" 交替模式，可有效清除電極表面的積碳或副產物，維持電極的長期穩定運行。

四、多層電合成流動反應池的性能評價與應用案例

4.1 核心性能評價指標

     多層電合成流動反應池的性能需通過以下關鍵指標進行評價，以驗證傳質優化的效果：

     電流效率：反映電能轉化為目標產物的效率，電流效率越高，能耗越低。傳質效率提升可減少反應物的擴散限制，降低副反應的發生概率，從而提升電流效率。

     產物選擇性：指目標產物占總產物的比例，是衡量反應精準性的核心指標。層間電位協同調控與電極界面改性可顯著提升目標產物的選擇性。

     時空產率：指單位體積、單位時間內目標產物的產量，是評價反應器工業化潛力的關鍵指標。多層反應池通過提升單位體積內的電極面積，可將時空產率提升 2~5 倍。

4.2 典型應用案例

4.2.1 有機電合成領域

     在苯甲醛電氧化制備苯甲酸的反應中，采用多層叉指形流道反應池，通過 CFD 優化流道構型，增設擾流柱，強化流體擾動。結果表明，與傳統單層反應池相比，傳質系數提升 40%，電流效率從 65% 提升至 89%，時空產率提升 3 倍以上，且產物選擇性保持在 95% 以上。

4.2.2 二氧化碳資源化領域

      在 CO?電還原制備一氧化碳的反應中，采用多層多孔銅電極反應池，通過等離子體改性調控電極表面親疏水性，同時設置層間梯度電位。實驗結果顯示，CO 的法拉第效率達到 92%，時空產率達到 0.8 mol?L?1?h?1，遠高于傳統單層反應池，且反應器可穩定運行 100 h 以上。

五、工業化應用挑戰與展望

       多層電合成流動反應池在提升傳質效率與反應性能方面具有顯著優勢，但在工業化推廣過程中仍面臨以下挑戰：

      放大效應：實驗室規模的小型反應器易于實現流場均勻分布，而放大至工業規模時，層間流體分布不均、傳質效率下降等問題凸顯，需開發模塊化設計與精準分流技術。

      成本控制：多孔電極、高性能催化劑的制備成本較高，密封與集電單元的材料成本占比大，需開發低成本的替代材料與制備工藝。

      系統集成：需與上游原料預處理、下游產物分離純化系統進行集成，形成連續化生產工藝，提升整體生產效率。

      未來，多層電合成流動反應池的發展方向可聚焦于以下方面：一是結合人工智能與數值模擬，實現反應器的精準設計與優化；二是開發新型柔性電極與可降解密封材料，提升反應器的環保性與經濟性；三是拓展在精細化工、新能源材料合成等領域的應用，推動綠色電合成技術的工業化升級。

六、結論

      多層電合成流動反應池通過層疊式結構設計，突破了傳統單層反應器的空間限制，結合流道流體力學優化、電極界面改性、層間電位協同調控等傳質優化技術，可顯著提升反應的電流效率、產物選擇性與時空產率。該技術在有機電合成、二氧化碳資源化等領域展現出廣闊的應用前景，隨著模塊化設計與低成本制備技術的發展，有望成為綠色化工領域的核心裝備之一。

產品展示

      SSC-ECFN8030多層電合成流動反應池，將多組電池串聯使用，驗證產業化應用模型，可快速實現電催化的產業化應用。電池流道設計簡單有效，便于組裝一體，具有高效率、高穩定、長壽命的特性，適用于氣液流動條件下的電催化反應，用于電化學合成、電催化二氧化碳、電催化合成氨、電合成雙氧水等。

產品優勢：

1)  池體采用雙密封技術，密封效果極加，不漏液。

2)  流道材質根據客戶使用情況可以選擇，鈦合金，石墨或鍍金可選。

3)  多種流道可以選擇，標配為蛇形通道，根據實驗需求可以定做不同流動樣式。

4)  多電池組合使用，采用特殊的流道設計，氣體串連，提高產物產率。

5)  電極有效活性面積可選擇行多。

6)  管路接頭均為標準接頭，可選擇多種管路 。

7)  可根據需求定制各種池體結構。