流動(dòng)池技術(shù)：電催化 CO?轉(zhuǎn)化的核心驅(qū)動(dòng)力

一、CO?轉(zhuǎn)化的挑戰(zhàn)與流動(dòng)池技術(shù)的定位

1. 全球碳中和背景下的 CO?轉(zhuǎn)化需求

     CO?過(guò)量排放引發(fā)的氣候危機(jī)，驅(qū)動(dòng)電催化 CO?還原（ECR）技術(shù)成為碳循環(huán)核心路徑。

     ECR 的關(guān)鍵瓶頸：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(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)）、長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足（電極易中毒或腐蝕）。

2. 流動(dòng)池技術(shù)的破局價(jià)值

     區(qū)別于傳統(tǒng) H 型電解池，流動(dòng)池通過(guò)強(qiáng)制電解液流動(dòng)優(yōu)化傳質(zhì)，結(jié)合結(jié)構(gòu)化反應(yīng)界面設(shè)計(jì)，成為突破傳質(zhì)限制的核心工具。

     數(shù)據(jù)支撐：流動(dòng)池可將 CO?傳質(zhì)速率提升至傳統(tǒng)體系的5–10 倍，顯著提高電流密度與產(chǎn)物收率。

二、流動(dòng)池技術(shù)的核心原理與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

1. 基礎(chǔ)原理：傳質(zhì)強(qiáng)化與界面調(diào)控

流動(dòng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)：

     層流或湍流設(shè)計(jì)減少擴(kuò)散層厚度（Nernst 擴(kuò)散層從～100 μm 壓縮至 < 10 μm），加速 CO?向電極表面?zhèn)鬏敗?/p>

     典型案例：零間距流動(dòng)池（Zero-gap flow cell）通過(guò)極間距壓縮（<1 mm）與高速液流，實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)效率大化。

多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)：

     流動(dòng)誘導(dǎo)的剪切力可抑制氣泡附著（如析氫副反應(yīng)產(chǎn)生的 H?氣泡），維持電極活性位點(diǎn)暴露。

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵維度

3. 典型流動(dòng)池類型與應(yīng)用場(chǎng)景

     水平流動(dòng)池：適用于原位表征（如原位紅外、拉曼光譜），便于光學(xué)窗口觀測(cè)反應(yīng)界面。

    垂直流動(dòng)池：適合高電流密度工業(yè)場(chǎng)景（如電解槽堆疊），可集成熱管理系統(tǒng)維持反應(yīng)溫度。

    微流控流動(dòng)池：納米級(jí)流道精準(zhǔn)調(diào)控傳質(zhì)，用于機(jī)理研究（如單個(gè)催化劑顆粒的 CO?還原路徑分析）。

三、流動(dòng)池技術(shù)在電催化 CO?轉(zhuǎn)化中的關(guān)鍵應(yīng)用

1. 高附加值產(chǎn)物合成：從 C1 到 Cn 的跨越

C1 產(chǎn)物（CO、HCOOH）：

     案例：InSituFlow 公司開發(fā)的流動(dòng)池搭配 Ag 電極，CO 法拉第效率達(dá) 95%，電流密度提升至 500 mA/cm2（傳統(tǒng)體系僅 50 mA/cm2）。

C2 + 產(chǎn)物（乙烯、乙醇、丙醇）：

      挑戰(zhàn)：C–C 偶聯(lián)需要高密度活性位點(diǎn)與精準(zhǔn)傳質(zhì)控制。

     突破：流動(dòng)池結(jié)合 Cu 基三維電極，乙烯收率提升至傳統(tǒng)體系的 3 倍，局部 CO?濃度梯度降低 40%。

2. 與可再生能源耦合的工業(yè)化場(chǎng)景

光伏 - 流動(dòng)池集成系統(tǒng)：

     設(shè)計(jì)要點(diǎn)：流動(dòng)池的低歐姆壓降（<100 mΩ?cm2）適配光伏波動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn) “綠電驅(qū)動(dòng) CO?轉(zhuǎn)化"。

     示范項(xiàng)目：美國(guó) Lawrence Berkeley 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室搭建的 100 L 級(jí)流動(dòng)池系統(tǒng)，日處理 CO?量達(dá) 5 kg，產(chǎn)物甲醇純度 > 99%。

3. 原位表征技術(shù)與機(jī)理解析

流動(dòng)池的 “動(dòng)態(tài)觀察窗" 功能：

      聯(lián)用技術(shù)：原位 X 射線吸收光譜（XAS）+ 流動(dòng)池，實(shí)時(shí)追蹤催化劑價(jià)態(tài)變化（如 Cu?/Cu?在 CO?還原中的動(dòng)態(tài)演變）。

      數(shù)據(jù)價(jià)值：揭示流動(dòng)速率與中間體（如 * CO、*OCHO）吸附行為的關(guān)聯(lián)，指導(dǎo)催化劑設(shè)計(jì)。

四、挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展方向

1. 當(dāng)前技術(shù)瓶頸

      材料耐久性：高速流動(dòng)電解液對(duì)電極 / 膜材料的沖刷腐蝕（如碳載催化劑的脫落問(wèn)題）。

      放大效應(yīng)：實(shí)驗(yàn)室級(jí)流動(dòng)池的優(yōu)異性能難以直接復(fù)現(xiàn)于千升級(jí)裝置，流道均質(zhì)性控制困難。

      成本與能效：高壓泵送系統(tǒng)的能耗占比可達(dá)總能耗的 15–20%，需平衡傳質(zhì)強(qiáng)化與能效優(yōu)化。

2. 創(chuàng)新路徑展望

     仿生流動(dòng)設(shè)計(jì)：模擬生物血管網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)流道，實(shí)現(xiàn)微尺度傳質(zhì)均一性與宏尺度流量調(diào)控的協(xié)同。

     智能響應(yīng)材料：開發(fā) pH / 電位響應(yīng)型流道涂層，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)表面潤(rùn)濕性以適應(yīng)反應(yīng)階段（如 CO?吸附期 vs. 產(chǎn)物脫附期）。

     人工智能輔助優(yōu)化：機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)流動(dòng)參數(shù)（流速、壓力、溫度）與產(chǎn)物分布的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)工藝優(yōu)化。

五、結(jié)論：流動(dòng)池技術(shù)的里程碑意義與產(chǎn)業(yè)化展望

     流動(dòng)池技術(shù)通過(guò)傳質(zhì)革命與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，重新定義了電催化 CO?轉(zhuǎn)化的效率邊界，成為連接實(shí)驗(yàn)室機(jī)理研究與工業(yè)化應(yīng)用的橋梁。未來(lái)，隨著跨學(xué)科技術(shù)融合（如微納制造、智能傳感），流動(dòng)池有望推動(dòng) CO?轉(zhuǎn)化從 “概念驗(yàn)證" 邁向 “規(guī)模量產(chǎn)"，為全球碳中和目標(biāo)提供核心技術(shù)支撐。

產(chǎn)品展示

       SSC-ECF80系列電合成微通道流動(dòng)池，具有高效率、高穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命的特性，適用于氣液流動(dòng)條件下的電催化反應(yīng)，用于電化合成、電催化二氧化碳、電催化合成氨、電合成雙氧水等。

      產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：

1)  池體采用雙密封技術(shù)，密封效果極加，不漏液。

2)  流道材質(zhì)根據(jù)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(biāo)配為蛇形通道，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求可以定做不同流動(dòng)樣式。

4)   電極有效活性面積可選擇行多。

5)   管路接頭均為標(biāo)準(zhǔn)接頭，可選擇多種管路。

6)   可根據(jù)需求定制各種池體結(jié)構(gòu)。