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      精細(xì)化工產(chǎn)品的傳統(tǒng)合成過(guò)程存在反應(yīng)步驟繁瑣、選擇性差、能耗高、污染嚴(yán)重等問(wèn)題，而電催化連續(xù)流系統(tǒng)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，為解決這些問(wèn)題提供了新途徑。本文詳細(xì)闡述了電催化連續(xù)流系統(tǒng)的工作原理，介紹了其在多種精細(xì)化學(xué)品合成中的應(yīng)用，包括生物質(zhì)轉(zhuǎn)化、藥物合成、有機(jī)小分子合成等。該系統(tǒng)通過(guò)精準(zhǔn)控制反應(yīng)參數(shù)，能夠提高反應(yīng)選擇性，減少副反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高效、綠色合成。同時(shí)，對(duì)該系統(tǒng)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，如電極材料的穩(wěn)定性、反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)、與現(xiàn)有工業(yè)體系的兼容性等進(jìn)行了分析，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。隨著技術(shù)的不斷突破，電催化連續(xù)流系統(tǒng)有望在精細(xì)化工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，推動(dòng)行業(yè)向綠色、可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型。

一、引言

      精細(xì)化工產(chǎn)品在醫(yī)藥、農(nóng)藥、材料等眾多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，是現(xiàn)代工業(yè)體系中不可或缺的重要組成部分。然而，傳統(tǒng)精細(xì)化工合成工藝往往存在諸多弊端，例如反應(yīng)步驟冗長(zhǎng)，需要經(jīng)過(guò)多步反應(yīng)才能獲得目標(biāo)產(chǎn)物，這不僅增加了生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性，還導(dǎo)致原料消耗量大、成本升高。同時(shí)，傳統(tǒng)工藝的選擇性欠佳，在反應(yīng)過(guò)程中容易產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，這不僅降低了目標(biāo)產(chǎn)物的收率，還增加了產(chǎn)物分離和提純的難度，產(chǎn)生的大量廢棄物也給環(huán)境帶來(lái)了沉重負(fù)擔(dān)。此外，許多傳統(tǒng)工藝需要在高溫、高壓等苛刻條件下進(jìn)行，能耗極高，不符合當(dāng)前綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的理念。

      近年來(lái)，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注度不斷提高，綠色化學(xué)合成技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。電催化連續(xù)流系統(tǒng)作為一種新興的綠色合成技術(shù)，為精細(xì)化工領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。電催化反應(yīng)以電子作為清潔的反應(yīng)試劑，避免了傳統(tǒng)化學(xué)氧化劑或還原劑的使用，從而減少了廢棄物的產(chǎn)生。連續(xù)流操作模式具有反應(yīng)條件易于精確控制、傳質(zhì)傳熱效率高、反應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提高反應(yīng)的選擇性和效率，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化學(xué)品的高效、綠色合成。因此，深入研究電催化連續(xù)流系統(tǒng)在精細(xì)化工中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

二、電催化連續(xù)流系統(tǒng)概述

（1）工作原理

電催化連續(xù)流系統(tǒng)主要基于電化學(xué)反應(yīng)原理，在電場(chǎng)的作用下，反應(yīng)物在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。其核心組件包括電源、反應(yīng)器、電極以及電解液等。電源為反應(yīng)提供所需的電能，促使電子在電極之間轉(zhuǎn)移。反應(yīng)器是反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，通常設(shè)計(jì)為連續(xù)流模式，反應(yīng)物以一定流速持續(xù)流入反應(yīng)器內(nèi)。電極分為陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子；陰極發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子。電解液則起到傳導(dǎo)離子的作用，維持反應(yīng)體系的電荷平衡。

在電催化反應(yīng)中，反應(yīng)物分子吸附在電極表面，通過(guò)與電極之間的電子交換進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。例如，對(duì)于有機(jī)化合物的氧化反應(yīng)，反應(yīng)物在陽(yáng)極表面失去電子，被氧化為目標(biāo)產(chǎn)物或中間產(chǎn)物；而在陰極，通常發(fā)生還原反應(yīng)，如質(zhì)子還原生成氫氣等。與傳統(tǒng)間歇式電化學(xué)反應(yīng)相比，連續(xù)流模式下反應(yīng)物能夠持續(xù)不斷地進(jìn)入反應(yīng)器，與電極表面充分接觸，同時(shí)產(chǎn)物也能及時(shí)離開(kāi)反應(yīng)區(qū)域，避免了反應(yīng)物和產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)的過(guò)度積累，從而有效減少了副反應(yīng)的發(fā)生，提高了反應(yīng)的選擇性和效率。

（2）系統(tǒng)構(gòu)成與特點(diǎn)

1.系統(tǒng)構(gòu)成

電催化連續(xù)流系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜且精密，各部分協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)高效的電催化反應(yīng)。除了前文提及的電源、反應(yīng)器、電極和電解液外，還包括一系列用于控制和監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程的輔助設(shè)備。例如，流量控制系統(tǒng)能夠精確調(diào)節(jié)反應(yīng)物和電解液的流速，確保反應(yīng)在設(shè)定的條件下穩(wěn)定進(jìn)行；溫度控制系統(tǒng)可對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，因?yàn)闇囟葘?duì)電催化反應(yīng)速率和選擇性具有重要影響；壓力控制系統(tǒng)則在一些需要特定壓力條件的反應(yīng)中發(fā)揮作用，維持反應(yīng)體系的壓力穩(wěn)定。此外，還配備有檢測(cè)傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中的電流、電壓、pH 值等參數(shù)，以便及時(shí)調(diào)整反應(yīng)條件，保證反應(yīng)的順利進(jìn)行。

2.特點(diǎn)

• 高效傳質(zhì)傳熱：連續(xù)流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得反應(yīng)物和電解液在狹小的通道內(nèi)高速流動(dòng)，極大地增加了物質(zhì)之間的接觸面積和碰撞頻率，從而實(shí)現(xiàn)高效的傳質(zhì)過(guò)程。同時(shí)，由于反應(yīng)物在通道內(nèi)停留時(shí)間短，熱量能夠迅速傳遞出去，有效避免了局部過(guò)熱或過(guò)冷現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)高效的傳熱，有助于維持反應(yīng)體系的溫度均勻性，提高反應(yīng)的穩(wěn)定性和一致性。
• 反應(yīng)條件精準(zhǔn)控制：通過(guò)先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以精確調(diào)節(jié)反應(yīng)過(guò)程中的電流、電壓、流速、溫度、壓力等參數(shù)，且能夠根據(jù)反應(yīng)的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。這種精準(zhǔn)控制能力使得反應(yīng)能夠在最適宜的條件下進(jìn)行，不僅提高了反應(yīng)的選擇性，還能有效減少副反應(yīng)的發(fā)生，確保目標(biāo)產(chǎn)物的高收率。
• 連續(xù)化生產(chǎn)：反應(yīng)物連續(xù)不斷地流入反應(yīng)器，產(chǎn)物連續(xù)輸出，無(wú)需像間歇式反應(yīng)那樣頻繁地進(jìn)行加料、反應(yīng)、卸料等操作，大大提高了生產(chǎn)效率，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。同時(shí)，連續(xù)化生產(chǎn)模式使得生產(chǎn)過(guò)程更加穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量更易于控制和保證。
• 安全性高：由于反應(yīng)在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，反應(yīng)物和產(chǎn)物的量相對(duì)較少，且反應(yīng)條件易于控制，即使發(fā)生意外情況，如局部過(guò)熱引發(fā)的反應(yīng)失控，也能迅速采取措施進(jìn)行處理，將危害和損失降至最低，降低了生產(chǎn)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。
• 綠色環(huán)保：電催化反應(yīng)以電子作為清潔的反應(yīng)試劑，避免了傳統(tǒng)化學(xué)合成中大量化學(xué)試劑的使用，減少了廢棄物的產(chǎn)生。同時(shí)，連續(xù)流系統(tǒng)的高效性使得反應(yīng)在較低的能耗下進(jìn)行，符合綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的理念。

三、在精細(xì)化工中的應(yīng)用實(shí)例

（1）生物質(zhì)轉(zhuǎn)化

 5 - 羥甲基糠醛（HMF）轉(zhuǎn)化為 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）

生物質(zhì)是一種豐富的可再生資源，將其轉(zhuǎn)化為高附加值的精細(xì)化學(xué)品具有重要意義。5 - 羥甲基糠醛（HMF）作為一種重要的生物質(zhì)平臺(tái)分子，可通過(guò)電催化連續(xù)流系統(tǒng)高效轉(zhuǎn)化為 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）。在傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)中，HMF 轉(zhuǎn)化為 FDCA 的反應(yīng)存在反應(yīng)溫度壓力高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、易發(fā)生聚合等副反應(yīng)等問(wèn)題。而采用電催化連續(xù)流系統(tǒng)，能夠顯著改善這些狀況。

大連理工大學(xué)陶勝洋教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)電催化劑、富氧缺陷電催化劑，并結(jié)合數(shù)字設(shè)計(jì)加工的連續(xù)流動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行該轉(zhuǎn)化反應(yīng)。在該系統(tǒng)中，連續(xù)流反應(yīng)器加快了本體溶液到電極表面的傳質(zhì)速率，增大了電極表面積的利用效率，削弱了反應(yīng)中的擴(kuò)散效應(yīng)，減小體系濃差極化。例如，所構(gòu)建的 CoOOH 納米片中的（100）晶面與 CoP 中的（211）晶面相互生長(zhǎng)構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)催化劑 CoP-CoOOH，表現(xiàn)出較小的 HMF 氧化起始電壓和析氫反應(yīng)電壓。這得益于在異質(zhì)界面處空穴在 CoOOH 一側(cè)積累有利于氧化反應(yīng)的發(fā)生，而電子在 CoP 一側(cè)積累有利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在連續(xù)流反應(yīng)器中 HMF 轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物選擇性和法拉第效率分別可達(dá)到 99.9%、99.4% 和 98.2%。此外，經(jīng)過(guò) 10 次連續(xù)循環(huán)氧化 HMF 后，組裝的連續(xù)流反應(yīng)器仍然表現(xiàn)出較好的氧化活性，證實(shí)了該反應(yīng)器具有良好的催化反應(yīng)穩(wěn)定性。

葡萄糖轉(zhuǎn)化為二甲酸鉀和甲酸鹽

含有醛基的生物質(zhì)平臺(tái)分子如葡萄糖在堿性環(huán)境中化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，在高濃度下極易發(fā)生非法拉第反應(yīng)，這嚴(yán)重限制了電催化生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工藝的放大。清華段昊泓團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種單程連續(xù)流反應(yīng)（SPCFR）系統(tǒng)來(lái)解決這一問(wèn)題。該系統(tǒng)具有電極面積 / 電解液體積比（A/V）高、反應(yīng)底物在反應(yīng)器中停留時(shí)間短、反應(yīng)底物和堿性電解質(zhì)獨(dú)立進(jìn)料等特點(diǎn)。

在堿性條件下葡萄糖的電氧化反應(yīng)中，使用單模塊的 SPCFR 系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在絕對(duì)電流為 3 A 的條件下，獲得了高單程轉(zhuǎn)化率（SPCE，80.2%）、高甲酸鹽選擇性（83.8%）和高法拉第效率（89.6%），遠(yuǎn)超間歇式反應(yīng)器的性能（甲酸選擇性 30.4%）。進(jìn)一步將反應(yīng)器從單模塊擴(kuò)展到 9 個(gè)堆疊模塊，建立了一個(gè)幾何電極面積 270 cm2 的堆疊 SPCFR 系統(tǒng)，并優(yōu)化反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)了葡萄糖電氧化制備甲酸鹽的高產(chǎn)率（256.6 mmol h?1）。以 600 mM 的 HMF 為原料，在堆疊 SPCFR 系統(tǒng)中，取得了 SPCE>95%、連續(xù)生產(chǎn)高濃度的 FDCA（530 - 560 mM）的實(shí)際效果，反應(yīng)穩(wěn)定性 > 50 h，并最終分離得到 1.17 kg 的 FDCA。通過(guò)該系統(tǒng)，成功抑制了生物質(zhì)平臺(tái)化合物在堿性電解液中的非法拉第副反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高濃度重要化學(xué)品（二甲酸鉀和 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA））的連續(xù)化和公斤級(jí)制備。

（2）藥物合成

氧化型不對(duì)稱催化反應(yīng)

在藥物合成領(lǐng)域，催化不對(duì)稱合成對(duì)于獲得具有特定手性結(jié)構(gòu)的藥物分子至關(guān)重要。然而，氧化型催化不對(duì)稱轉(zhuǎn)化由于確定合適的化學(xué)氧化劑并解決它們與催化劑和官能團(tuán)的相容性問(wèn)題存在重大挑戰(zhàn)，研究相對(duì)較少。有機(jī)電化學(xué)使用無(wú)痕的電子促進(jìn)氧化還原反應(yīng)，為解決這一問(wèn)題提供了新途徑。

廈門(mén)大學(xué)徐海超教授課題組將連續(xù)流電化學(xué)微反應(yīng)器技術(shù)平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)氧化型不對(duì)稱催化反應(yīng)。該平臺(tái)對(duì)各種氧化不對(duì)稱催化轉(zhuǎn)化具有廣泛的應(yīng)用性，通過(guò) 1,3 - 二羰基化合物的巰基化、脫氫 C–C 偶聯(lián)和脫氫烯烴成環(huán)過(guò)程得到了充分證明。連續(xù)流電化學(xué)微反應(yīng)器的獨(dú)特性質(zhì)不僅消除了對(duì)化學(xué)氧化劑的需求，而且還提高了反應(yīng)效率，減少了添加劑和電解質(zhì)的使用。微流體電化學(xué)的這些顯著特點(diǎn)加快了氧化不對(duì)稱轉(zhuǎn)化的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展。此外，由并行的反應(yīng)器促進(jìn)的連續(xù)生產(chǎn)確保了反應(yīng)的直接放大，消除了在不同規(guī)模上重新優(yōu)化的必要性，通過(guò)從毫克級(jí)篩選到百克級(jí)不對(duì)稱合成的直接轉(zhuǎn)化得以證明，為藥物合成中復(fù)雜手性分子的高效制備提供了新方法。

電催化合成含氮雜環(huán)藥物中間體

含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)廣泛存在于各種藥物分子中，是重要的藥物中間體。傳統(tǒng)合成方法往往需要使用大量有毒有害的試劑，且反應(yīng)步驟復(fù)雜。利用電催化連續(xù)流系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)含氮雜環(huán)藥物中間體的綠色合成。例如，在特定的電催化連續(xù)流反應(yīng)器中，以合適的電極材料和電解液體系，通過(guò)精確控制反應(yīng)電位、電流和流速等參數(shù)，能夠使含有氮源和碳源的反應(yīng)物在溫和條件下發(fā)生環(huán)化反應(yīng)，生成目標(biāo)含氮雜環(huán)化合物。與傳統(tǒng)方法相比，該方法避免了使用強(qiáng)氧化劑或還原劑，減少了副反應(yīng)的發(fā)生，提高了產(chǎn)物的純度和收率。同時(shí)，連續(xù)流操作模式使得生產(chǎn)過(guò)程更加高效、穩(wěn)定，有利于大規(guī)模制備含氮雜環(huán)藥物中間體，為相關(guān)藥物的研發(fā)和生產(chǎn)提供了有力支持。

（3）有機(jī)小分子合成

電催化合成環(huán)己酮肟

環(huán)己酮肟是合成纖維與塑料的單體原料，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。工業(yè)上環(huán)己酮肟合成一般采用環(huán)己酮 - 羥胺路線，但該工藝路線存在爆炸的安全隱患。山西大學(xué)精細(xì)化學(xué)品教育部工程研究中心綠色與仿生催化研究團(tuán)隊(duì)利用電催化過(guò)程，以水為氫源，利用再生電能驅(qū)動(dòng)氮氧化物還原，原位得到的羥胺物種與環(huán)己酮發(fā)生偶聯(lián)生成環(huán)己酮肟，提高了反應(yīng)的安全性，還能利用可再生能源驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。

然而，電催化過(guò)程存在羥胺中間體與環(huán)己酮接觸困難、反應(yīng)效率低等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了 Pickering 乳滴一體化電極。Pickering 乳滴界面具有獨(dú)特油 - 水界面微環(huán)境，存在著結(jié)構(gòu)有序的水分子與非飽和氫鍵，這種獨(dú)特的微環(huán)境誘導(dǎo)環(huán)己酮分子在電催化劑表面上發(fā)生傾斜式吸附，促進(jìn)羥胺物種與環(huán)己酮之間偶聯(lián)，提升環(huán)己酮肟選擇性和反應(yīng)效率。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)導(dǎo)電聚合物將乳滴與電極進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，構(gòu)建了乳滴間電荷傳輸通道，加速電荷轉(zhuǎn)移，在接近工業(yè)級(jí)電流密度下實(shí)現(xiàn)了高效環(huán)己酮肟連續(xù)流動(dòng)電催化合成。

電催化合成氨

氨是生產(chǎn)化肥、炸藥的重要化工原料，也是極具潛力的氫能載體。目前工業(yè)中氨合成主要采用 Haber - Bosch 工藝，該工藝需高溫、高壓條件，且原料氫氣多來(lái)自蒸汽重整，能耗高、污染嚴(yán)重。電催化氮還原合成氨工藝（ENRR）采用電力驅(qū)動(dòng)、原料易得、綠色環(huán)保、操作靈活，是極具潛力的新興氨合成工藝。

有研究基于微流控技術(shù)搭建了一套連續(xù)流微反應(yīng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)電催化合成氨。該平臺(tái)采用微三通進(jìn)行水溶性原料間的快速混合，通過(guò)耦合納米晶析出過(guò)程、PVP 膠體自組裝過(guò)程以及惰性氛圍（Ar）碳熱還原反應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了具有極小尺寸銥納米點(diǎn)的碳復(fù)合材料（Ir/C）的高效、穩(wěn)定、連續(xù)化合成。得益于微反應(yīng)器高效傳質(zhì)、傳熱、停留時(shí)間可控等優(yōu)勢(shì)，所合成的 Ir/C 材料上銥納米點(diǎn)具有極小尺寸和高單分散性，顯著提高了催化活性和貴金屬的利用率。在酸性環(huán)境中（pH = 2），實(shí)現(xiàn)的最高氨收率為 11.21 μg h?1 cm?2（ - 0.4 V vs. RHE），最優(yōu)的法拉第效率為 24.30%（ - 0.1 V vs. RHE）；在堿性環(huán)境中（pH = 14），最優(yōu)氨收率為 27.95 μg h?1 cm?2（ - 0.2 V vs. RHE），最優(yōu)法拉第效率為 9.14%（ - 0.1 V vs. RHE），為氨的綠色合成提供了新途徑。

四、面臨的挑戰(zhàn)

（1）電極材料

穩(wěn)定性問(wèn)題

在電催化連續(xù)流系統(tǒng)中，電極材料長(zhǎng)期處于復(fù)雜的電化學(xué)環(huán)境中，面臨著嚴(yán)峻的穩(wěn)定性考驗(yàn)。例如，在一些涉及強(qiáng)氧化或強(qiáng)還原條件的反應(yīng)中，電極表面容易發(fā)生腐蝕、溶解或結(jié)構(gòu)變化等現(xiàn)象，導(dǎo)致電極活性逐漸降低，使用壽命縮短。以用于電催化氧化反應(yīng)的陽(yáng)極材料為例，在高電位下，電極表面的金屬原子可能會(huì)失去電子被氧化成離子而溶解到電解液中，從而破壞電極的結(jié)構(gòu)完整性。此外，電極表面在反應(yīng)過(guò)程中還可能會(huì)吸附一些中間產(chǎn)物或雜質(zhì)，這些物質(zhì)可能會(huì)阻礙反應(yīng)物與電極表面的有效接觸，進(jìn)一步降低電極的催化活性。如在電催化合成氨的反應(yīng)中，電極表面可能會(huì)吸附反應(yīng)產(chǎn)生的含氮或含氫的中間物種，若不能及時(shí)脫附，會(huì)占據(jù)活性位點(diǎn)，抑制反應(yīng)的進(jìn)行。

活性與選擇性的平衡

電極材料的活性和選擇性是相互關(guān)聯(lián)又相互制約的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。一方面，為了提高反應(yīng)速率，需要電極材料具有較高的活性，能夠有效降低反應(yīng)的活化能，促進(jìn)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化。然而，在實(shí)際反應(yīng)中，提高活性往往可能導(dǎo)致選擇性下降，即容易引發(fā)一些不必要的副反應(yīng)。例如，在生物質(zhì)電催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)中，當(dāng)電極材料的活性過(guò)高時(shí)，可能會(huì)使目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)一步過(guò)度氧化或發(fā)生其他副反應(yīng)，降低了目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性和收率。因此，如何在保證電極材料具有高活性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)反應(yīng)的高選擇性，是當(dāng)前電極材料研究面臨的一大挑戰(zhàn)。這需要深入理解電極表面的反應(yīng)機(jī)理，通過(guò)合理設(shè)計(jì)電極材料的組成、結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，來(lái)精確調(diào)控其活性和選擇性，以滿足不同精細(xì)化工反應(yīng)的需求。

（2）反應(yīng)器設(shè)計(jì)

放大難題

從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的電催化連續(xù)流反應(yīng)器向工業(yè)規(guī)模放大過(guò)程中，面臨著諸多技術(shù)難題。在實(shí)驗(yàn)室中，反應(yīng)器通常體積較小，反應(yīng)條件相對(duì)容易控制，傳質(zhì)、傳熱效率較高。然而，當(dāng)進(jìn)行大規(guī)模放大時(shí)，反應(yīng)器的尺寸增大，反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)變得復(fù)雜，容易出現(xiàn)流速分布不均勻、局部傳質(zhì)和傳熱效率降低等問(wèn)題。例如，在大型連續(xù)流反應(yīng)器中，靠近反應(yīng)器壁面的流體流速可能較慢，而中心區(qū)域流速較快，這會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物在不同位置的反應(yīng)程度不一致，影響產(chǎn)品質(zhì)量的均一性。此外，隨著反應(yīng)器規(guī)模的增大，電極的面積和形狀也需要相應(yīng)調(diào)整，如何保證在大面積電極上實(shí)現(xiàn)均勻的電流分布，避免出現(xiàn)局部電流密度過(guò)高或過(guò)低的情況，也是放大過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。若電流分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致電極局部過(guò)度反應(yīng)或反應(yīng)不足，不僅影響反應(yīng)效率和選擇性，還可能加速電極的損壞。

優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)以提高性能

為了提高電催化連續(xù)流反應(yīng)器的性能，需要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入優(yōu)化。反應(yīng)器內(nèi)部的流道設(shè)計(jì)對(duì)反應(yīng)物的流動(dòng)狀態(tài)和傳質(zhì)效率有著至關(guān)重要的影響。目前，常見(jiàn)的流道結(jié)構(gòu)在某些復(fù)雜反應(yīng)體系中可能無(wú)法滿足高效傳質(zhì)和反應(yīng)的要求。例如，傳統(tǒng)的直型流道在處理一些粘度較大的反應(yīng)物或需要強(qiáng)化混合的反應(yīng)時(shí)，傳質(zhì)效率較低，容易導(dǎo)致反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間分布較寬，影響反應(yīng)效果。因此，需要設(shè)計(jì)更加合理的流道結(jié)構(gòu)，如采用微結(jié)構(gòu)化流道、曲折流道或帶有混合元件的流道等，以增強(qiáng)流體的混合效果，提高傳質(zhì)效率，使反應(yīng)物能夠更加均勻地分布在反應(yīng)器內(nèi)，與電極表面充分反應(yīng)。

五、總結(jié)

      電催化連續(xù)流系統(tǒng)作為綠色合成技術(shù)，在精細(xì)化工領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。從原理上，該系統(tǒng)基于電化學(xué)反應(yīng)，以電子為清潔試劑，借助連續(xù)流操作實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)反應(yīng)控制，具有高效傳質(zhì)傳熱、條件易控、連續(xù)生產(chǎn)及綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。?

      在應(yīng)用實(shí)例方面，于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中，能將 5 - 羥甲基糠醛高效轉(zhuǎn)化為 2,5 - 呋喃二甲酸，大連理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)電催化劑等，使 HMF 轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物選擇性和法拉第效率顯著提升，且反應(yīng)器穩(wěn)定性良好；清華段昊泓團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的單程連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)，有效抑制生物質(zhì)平臺(tái)分子在堿性環(huán)境中的非法拉第反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高濃度重要化學(xué)品的連續(xù)化和公斤級(jí)制備。在藥物合成領(lǐng)域，廈門(mén)大學(xué)徐海超教授課題組利用連續(xù)流電化學(xué)微反應(yīng)器技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)氧化型不對(duì)稱催化反應(yīng)，拓展了藥物合成中復(fù)雜手性分子的制備方法；還可用于含氮雜環(huán)藥物中間體的綠色合成，提高產(chǎn)物純度與收率。在有機(jī)小分子合成中，山西大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì) Pickering 乳滴一體化電極，解決電催化合成環(huán)己酮肟過(guò)程中羥胺中間體與環(huán)己酮接觸困難等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高效合成；基于微流控技術(shù)搭建的連續(xù)流微反應(yīng)平臺(tái)，可合成用于電催化合成氨的高性能銥 / 碳納米復(fù)合材料，提升催化活性與貴金屬利用率 。?

      不過(guò)，該系統(tǒng)也面臨諸多挑戰(zhàn)。電極材料上，穩(wěn)定性欠佳，易在復(fù)雜電化學(xué)環(huán)境中腐蝕、溶解或結(jié)構(gòu)變化，且活性與選擇性難以平衡，提升活性易導(dǎo)致選擇性降低。反應(yīng)器設(shè)計(jì)層面，放大時(shí)存在反應(yīng)物流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜、電極電流分布不均等難題，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也需優(yōu)化，如流道設(shè)計(jì)要增強(qiáng)混合與傳質(zhì)效果。?

      盡管挑戰(zhàn)重重，但隨著研究的深入和技術(shù)的創(chuàng)新，電極材料有望通過(guò)合理設(shè)計(jì)和改性得以優(yōu)化，反應(yīng)器設(shè)計(jì)也將借助先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破。電催化連續(xù)流系統(tǒng)在精細(xì)化工領(lǐng)域?qū)⒊痈咝?、穩(wěn)定、大規(guī)模應(yīng)用的方向發(fā)展，為精細(xì)化工行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型注入強(qiáng)大動(dòng)力，推動(dòng)其邁向可持續(xù)發(fā)展的新階段 。

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?？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(shì)：

● 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(dòng)相CO2還原反應(yīng)活性評(píng)價(jià)等；

● 用于半導(dǎo)體材料的光電催化流動(dòng)相H2O分解產(chǎn)氫、產(chǎn)氧活性評(píng)價(jià)、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)電性能極佳，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(yáng)極液流循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)；

● 測(cè)試范圍廣，CO2、CO、CH4、甲醇、氫氣、氧氣、烴類(lèi)等微量氣體。