一、引言

      隨著全球工業(yè)化進程的加速，CO?排放過量引發(fā)的氣候危機日益嚴峻。據(jù)國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，近年來全球 CO?年排放量持續(xù)攀升，對生態(tài)環(huán)境和人類社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴重威脅。在此背景下，實現(xiàn) CO?的資源化利用成為應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵策略之一。

      電催化 CO?還原（ECR）技術(shù)作為 CO?資源化利用的重要途徑，具有反應(yīng)條件溫和、可利用可再生能源等優(yōu)勢，備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)電催化體系在 CO?轉(zhuǎn)化過程中面臨諸多挑戰(zhàn)，如傳質(zhì)效率低（CO?在電解液中溶解度有限）、產(chǎn)物選擇性差（多路徑競爭反應(yīng)）以及長期穩(wěn)定性不足（電極易中毒或腐蝕）等問題，嚴重制約了其工業(yè)化應(yīng)用進程。

      流動電化學技術(shù)的出現(xiàn)為突破上述瓶頸提供了新的解決方案。與傳統(tǒng)的靜態(tài)電解池不同，流動電化學系統(tǒng)通過強制電解液流動，優(yōu)化了反應(yīng)體系的傳質(zhì)過程，結(jié)合結(jié)構(gòu)化反應(yīng)界面設(shè)計，顯著提升了 CO?的轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)物選擇性，成為推動 CO?資源化利用從實驗室走向工業(yè)化的核心驅(qū)動力。本文將詳細闡述流動電化學技術(shù)助力 CO?資源化利用高效轉(zhuǎn)化的原理、應(yīng)用及發(fā)展前景。

二、流動電化學技術(shù)基礎(chǔ)原理

2.1 傳質(zhì)強化

      在電催化 CO?還原反應(yīng)中，傳質(zhì)過程是影響反應(yīng)速率和效率的關(guān)鍵因素。CO?在水溶液中的溶解度較低，且其擴散速率緩慢，導(dǎo)致電極表面 CO?濃度難以維持在較高水平，限制了反應(yīng)的進行。流動電化學技術(shù)通過引入電解液的強制流動，有效改善了這一狀況。

      在流動池中，電解液的流動能夠打破 CO?在電極表面形成的濃度邊界層，使 CO?能夠更快速地傳輸?shù)诫姌O表面參與反應(yīng)。根據(jù)流體動力學原理，層流或湍流設(shè)計可使 Nernst 擴散層厚度從傳統(tǒng)體系的～100μm 壓縮至 < 10μm，極大地加速了 CO?的傳質(zhì)速率。例如，零間距流動池通過將極間距壓縮至 < 1mm，并采用高速液流，實現(xiàn)了傳質(zhì)效率的大化，可將 CO?傳質(zhì)速率提升至傳統(tǒng)體系的 5 - 10 倍，顯著提高了電流密度與產(chǎn)物收率。

      此外，流動誘導(dǎo)的剪切力可抑制氣泡附著在電極表面。在電催化反應(yīng)過程中，析氫等副反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡會占據(jù)電極活性位點，降低反應(yīng)效率。而流動電解液產(chǎn)生的剪切力能夠及時將氣泡帶走，維持電極活性位點的充分暴露，有利于 CO?的持續(xù)還原反應(yīng)。

2.2 界面調(diào)控

      除了傳質(zhì)強化，流動電化學技術(shù)還能夠?qū)Ψ磻?yīng)界面進行有效調(diào)控，從而優(yōu)化反應(yīng)性能。通過設(shè)計不同的流動池結(jié)構(gòu)和電極配置，可以實現(xiàn)對反應(yīng)界面處電場、溫度、pH 值等物理化學參數(shù)的精確控制。

      以垂直流動池為例，其結(jié)構(gòu)設(shè)計適合高電流密度的工業(yè)場景，如電解槽堆疊。在這種構(gòu)型中，電解液垂直于電極表面流動，能夠?qū)崿F(xiàn)更均勻的物質(zhì)傳輸和電流分布。同時，垂直流動池可集成熱管理系統(tǒng)，通過控制電解液的溫度，維持反應(yīng)在適宜的溫度范圍內(nèi)進行，避免因反應(yīng)放熱導(dǎo)致的溫度過高而影響電極性能和產(chǎn)物選擇性。

      微流控流動池則利用微通道的特殊結(jié)構(gòu)和流體力學特性，在納米級尺度上精準調(diào)控傳質(zhì)過程。這種微小尺度的流動池特別適用于機理研究，例如可以對單個催化劑顆粒的 CO?還原路徑進行分析。通過精確控制微流控通道內(nèi)的流速、流量等參數(shù)，能夠創(chuàng)造出高度均一且可控的反應(yīng)微環(huán)境，為深入理解 CO?電催化還原反應(yīng)機理提供了有力工具。

三、流動電化學在 CO?資源化利用中的關(guān)鍵應(yīng)用

3.1 高附加值產(chǎn)物合成

      流動電化學技術(shù)在 CO?轉(zhuǎn)化為高附加值化學品方面展現(xiàn)出巨大潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)從 C1 產(chǎn)物到 Cn 多碳產(chǎn)物的高效合成。

在 C1 產(chǎn)物合成方面，InSituFlow 公司開發(fā)的流動池搭配 Ag 電極，取得了顯著成果。實驗數(shù)據(jù)表明，該體系中 CO 的法拉第效率高達 95%，電流密度提升至 500mA/cm2，而傳統(tǒng)體系中電流密度僅為 50mA/cm2。這一突破得益于流動池對傳質(zhì)的優(yōu)化，使 CO?能夠更高效地轉(zhuǎn)化為 CO。

      對于多碳產(chǎn)物的合成，流動池技術(shù)同樣具有明顯優(yōu)勢。研究人員通過將流動池與 Cu 基三維電極相結(jié)合，實現(xiàn)了乙烯收率的大幅提升，相較于傳統(tǒng)體系提高了 3 倍。進一步分析發(fā)現(xiàn)，流動池能夠有效降低局部 CO?濃度梯度，降幅可達 40%。這有助于減少反應(yīng)中間體的擴散限制，促進 C - C 偶聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，從而提高多碳產(chǎn)物的生成效率和選擇性。

3.2 與可再生能源耦合的工業(yè)化場景

      隨著全球?qū)稍偕茉吹拇罅﹂_發(fā)和利用，將流動電化學 CO?轉(zhuǎn)化技術(shù)與可再生能源（如太陽能、風能）相結(jié)合，構(gòu)建綠色低碳的工業(yè)生產(chǎn)模式，具有廣闊的應(yīng)用前景。

      流動池的低歐姆壓降（<100mΩ?cm2）特性使其能夠很好地適配光伏等波動電源。在實際應(yīng)用中，利用太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能驅(qū)動流動池中的 CO?轉(zhuǎn)化反應(yīng)，實現(xiàn) “綠電驅(qū)動 CO?轉(zhuǎn)化"。這種耦合方式不僅能夠有效利用可再生能源，減少碳排放，還能將間歇性的電能以化學能的形式儲存于 CO?轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中，如合成燃料或高附加值化學品。

      美國 Lawrence Berkeley 國家實驗室搭建的 100L 級流動池系統(tǒng)，便是這一應(yīng)用場景的成功示范。該系統(tǒng)日處理 CO?量可達 5kg，產(chǎn)物甲醇純度 > 99%。通過將流動電化學技術(shù)與可再生能源相結(jié)合，實現(xiàn)了 CO?的大規(guī)模資源化利用，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了可行的技術(shù)方案。

四、流動電化學技術(shù)的研究進展

4.1 新型流動池結(jié)構(gòu)開發(fā)

      近年來，為了進一步提升流動電化學系統(tǒng)在 CO?轉(zhuǎn)化中的性能，科研人員開發(fā)了多種新型流動池結(jié)構(gòu)。

      薄層流動池通過減小電解液層的厚度，有效縮短了 CO?和產(chǎn)物的擴散路徑。這不僅提高了傳質(zhì)效率，還降低了溶液電阻，減少了能量損耗。在實際應(yīng)用中，薄層流動池能夠在較低的電壓下實現(xiàn)高效的 CO?轉(zhuǎn)化，提高了能量利用效率。

       微流控流動池則利用微通道的特殊結(jié)構(gòu)和流體力學特性，實現(xiàn)了對反應(yīng)過程的精確控制。在微流控芯片中，通過設(shè)計不同形狀和尺寸的微通道，可以精確調(diào)控電解液的流速、流量以及反應(yīng)物質(zhì)的濃度分布。這種精確控制能力使得微流控流動池在研究 CO?電催化還原反應(yīng)機理方面具有優(yōu)勢，能夠為優(yōu)化反應(yīng)條件和開發(fā)新型催化劑提供重要的實驗數(shù)據(jù)支持。

      氣體擴散電極（GDE）型流動池由于其氣體擴散層設(shè)計，成為 CO?轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的研究熱點之一。在 GDE 型流動池中，CO?氣體可直接通過氣體擴散層與催化劑表面接觸，避免了 CO?在電解液中的溶解損失，大大提高了 CO?的利用效率。同時，GDE 型流動池能夠有效抑制析氫反應(yīng)等副反應(yīng)的發(fā)生，提高目標產(chǎn)物的選擇性。例如，西安交通大學化工學院馬明特聘研究員團隊利用 GDE 型的流動電解池，在沒有 CO 傳質(zhì)限制的情況下，深入探究了陽離子的種類對 CO 電還原過程中 C?+ 產(chǎn)物選擇性的影響，為深入理解催化反應(yīng)機制提供了新的見解。

4.2 電極材料創(chuàng)新

      電極材料是流動電化學系統(tǒng)的核心組成部分，其性能直接決定了 CO?轉(zhuǎn)化的效率和選擇性。為了滿足流動電化學技術(shù)對電極材料的高性能要求，科研人員在新型電極材料的研發(fā)方面取得了一系列重要進展。

      一方面，通過對傳統(tǒng)催化劑進行優(yōu)化改性，提高其催化活性和穩(wěn)定性。例如，采用納米技術(shù)制備具有特殊結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)的納米材料，如納米管、納米線、多孔結(jié)構(gòu)等，能夠顯著增加催化劑的比表面積和活性位點，提高催化性能。同時，通過對催化劑表面進行修飾，調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)和表面化學性質(zhì)，進一步優(yōu)化催化劑對 CO?還原反應(yīng)的選擇性。

      另一方面，開發(fā)新型催化劑體系成為研究的重點方向之一。例如，合金催化劑通過將兩種或多種金屬元素組合，能夠產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，調(diào)節(jié)催化劑的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而改善催化性能。Au - Cu 合金催化劑在提高 CO?還原產(chǎn) C?+ 產(chǎn)物的選擇性方面表現(xiàn)出良好的潛力。此外，金屬氧化物催化劑（如 ZnO、SnO?等）對 CO?具有較強的吸附能力，能夠促進 CO?的活化，在特定條件下也展現(xiàn)出較好的催化性能。非金屬催化劑（如碳基材料、有機分子催化劑等）由于其成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，也在電催化 CO?轉(zhuǎn)化領(lǐng)域展現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景。

      為了提高電極的整體性能，將催化劑與載體材料進行復(fù)合也是重要的研究手段。載體材料不僅能夠提高催化劑的分散性和穩(wěn)定性，還能通過與催化劑之間的相互作用調(diào)節(jié)其電子結(jié)構(gòu)，進一步提升催化活性和選擇性。例如，將金屬催化劑負載在具有高導(dǎo)電性和良好化學穩(wěn)定性的碳納米管、石墨烯等碳基材料上，能夠有效提高電極的導(dǎo)電性和抗腐蝕性能，從而提升 CO?轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。

4.3 原位表征技術(shù)應(yīng)用

      為了深入理解流動電化學體系中 CO?轉(zhuǎn)化反應(yīng)的機理，實時監(jiān)測反應(yīng)過程中的動態(tài)變化，原位表征技術(shù)在相關(guān)研究中得到了廣泛應(yīng)用。原位表征技術(shù)能夠在反 應(yīng)條件下對電極表面的結(jié)構(gòu)、組成、電子狀態(tài)以及反應(yīng)中間體等進行直接觀測，為揭示反應(yīng)機制、優(yōu)化催化劑設(shè)計和反應(yīng)條件提供關(guān)鍵信息。

      原位紅外光譜是常用的原位表征技術(shù)之一，它可以實時監(jiān)測 CO?還原過程中反應(yīng)中間體的生成與轉(zhuǎn)化，從而推斷反應(yīng)路徑。通過分析紅外光譜中特征吸收峰的位置和強度變化，能夠確定不同反應(yīng)中間體的存在及其相對濃度，進而深入了解反應(yīng)的動力學過程和反應(yīng)機理。

      原位 X 射線吸收光譜能夠提供催化劑在反應(yīng)過程中的電子結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境變化信息，有助于深入理解催化劑的活性位點和反應(yīng)機理。例如，通過監(jiān)測 X 射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）和擴展 X 射線吸收精細結(jié)構(gòu)（EXAFS）的變化，可以研究催化劑在 CO?還原反應(yīng)過程中金屬原子的價態(tài)變化、配位數(shù)以及鍵長等結(jié)構(gòu)信息，為優(yōu)化催化劑的設(shè)計提供重要依據(jù)。

      廈門大學化學化工學院王野、謝順吉教授團隊結(jié)合安培級電流密度下膜電極模式的工況 XRD、XAS、拉曼光譜表征和同位素示蹤等研究，證實了反應(yīng)過程中 Cu?可穩(wěn)定存在，并揭示了 Cu?促進水活化和 C - C 偶聯(lián)生成 C?+ 化合物的催化作用機制，為提高膜電極電解池中 CO?還原制 C?+ 化合物的性能提供了理論依據(jù)。這些原位表征技術(shù)的應(yīng)用，極大地推動了流動電化學 CO?轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的 CO?資源化利用提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

五、挑戰(zhàn)與展望

      盡管流動電化學技術(shù)在 CO?資源化利用的高效轉(zhuǎn)化方面取得了顯著進展，但要實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

     在材料耐久性方面，高速流動的電解液對電極和膜材料存在沖刷腐蝕問題，如碳載催化劑在流動電解液的作用下容易發(fā)生脫落，導(dǎo)致電極活性下降和催化劑壽命縮短。這需要進一步開發(fā)新型的耐腐蝕材料和優(yōu)化電極制備工藝，以提高電極和膜材料在流動體系中的穩(wěn)定性和使用壽命。

      流動體系中的傳質(zhì)均一性與流量調(diào)控也是需要解決的關(guān)鍵問題。在大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用中，如何確保電解液在整個流動池中實現(xiàn)均勻的流動和傳質(zhì)，避免出現(xiàn)局部傳質(zhì)受限或流量不均的情況，是提高反應(yīng)效率和產(chǎn)物一致性的重要前提。仿生流動設(shè)計為解決這一問題提供了新的思路，通過模擬生物血管網(wǎng)絡(luò)的分級流道結(jié)構(gòu)，有望實現(xiàn)微尺度傳質(zhì)均一性與宏尺度流量調(diào)控的協(xié)同優(yōu)化。

      此外，開發(fā)智能響應(yīng)材料也是未來研究的重要方向之一。例如，設(shè)計 pH / 電位響應(yīng)型流道涂層，使其能夠根據(jù)反應(yīng)過程中的 pH 值或電位變化動態(tài)調(diào)節(jié)表面潤濕性，以適應(yīng)不同反應(yīng)階段的需求（如 CO?吸附期與產(chǎn)物脫附期），從而進一步提高反應(yīng)效率和產(chǎn)物選擇性。

      在工藝優(yōu)化方面，人工智能輔助優(yōu)化技術(shù)具有巨大潛力。利用機器學習模型可以預(yù)測流動參數(shù)（流速、壓力、溫度）與產(chǎn)物分布之間的映射關(guān)系，通過對大量實驗數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的學習和分析，實現(xiàn)對流動電化學工藝的全自動優(yōu)化，提高工藝開發(fā)的效率和準確性。

      展望未來，隨著跨學科技術(shù)的深度融合，如微納制造技術(shù)為新型流動池結(jié)構(gòu)和電極材料的制備提供更精確的加工手段，智能傳感技術(shù)實現(xiàn)對反應(yīng)過程的實時監(jiān)測和反饋控制，流動電化學技術(shù)有望推動 CO?轉(zhuǎn)化從 “概念驗證" 邁向 “規(guī)模量產(chǎn)" 階段，為全球碳中和目標的實現(xiàn)提供核心技術(shù)支撐，在應(yīng)對氣候變化和推動可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。

產(chǎn)品展示

      SSC-PEFC20光電流動反應(yīng)池實現(xiàn)雙室二、三、四電極的電化學實驗，可以實現(xiàn)雙光路照射，用于半導(dǎo)體材料的氣-固-液三相界面光電催化或電催化的性能評價，可應(yīng)用在流動和循環(huán)光電催化N2、CO2還原反應(yīng)。反應(yīng)池的優(yōu)勢在于采用高純CO2為原料氣可以直接參與反應(yīng)，在催化劑表面形成氣-固-液三相界面的催化體系，并且配合整套體系可在流動相狀態(tài)下不斷為催化劑表面提供反應(yīng)原料。

      SSC-PEFC20光電流動反應(yīng)池解決了商業(yè)電催化CO2還原反應(yīng)存在的漏液、漏氣問題，采用全新的純鈦材質(zhì)池體，實現(xiàn)全新的外觀設(shè)計和更加方便的操作。既保證了實驗原理的簡單可行，又提高了CO2還原反應(yīng)的催化活性，為實現(xiàn)CO2還原的工業(yè)化提供了可行方案。

 產(chǎn)品優(yōu)勢：

      ● 半導(dǎo)體材料的電化學、光電催化反應(yīng)活性評價；

      ● 用于CO2還原光電催化、光電解水、光電降解、燃料電池等領(lǐng)域；                

      ● 微量反應(yīng)系統(tǒng)，極低的催化劑用量；

      ● 配置有耐150psi的石英光窗；

      ● 采用純鈦材質(zhì)，耐壓抗腐蝕；

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

      ● 光電催化池可與光源、GC-HF901（EPC）、電化學工作站、采樣系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)配合，搭建光電催化CO2還原系統(tǒng)，實現(xiàn)在線實時測試分析。