流動電化學助力 CO?資源化利用的高效轉化

一、引言

      隨著全球工業化進程的加速，CO?排放過量引發的氣候危機日益嚴峻。據國際能源署（IEA）數據顯示，近年來全球 CO?年排放量持續攀升，對生態環境和人類社會可持續發展構成嚴重威脅。在此背景下，實現 CO?的資源化利用成為應對氣候變化的關鍵策略之一。

      電催化 CO?還原（ECR）技術作為 CO?資源化利用的重要途徑，具有反應條件溫和、可利用可再生能源等優勢，備受關注。然而，傳統電催化體系在 CO?轉化過程中面臨諸多挑戰，如傳質效率低（CO?在電解液中溶解度有限）、產物選擇性差（多路徑競爭反應）以及長期穩定性不足（電極易中毒或腐蝕）等問題，嚴重制約了其工業化應用進程。

      流動電化學技術的出現為突破上述瓶頸提供了新的解決方案。與傳統的靜態電解池不同，流動電化學系統通過強制電解液流動，優化了反應體系的傳質過程，結合結構化反應界面設計，顯著提升了 CO?的轉化效率和產物選擇性，成為推動 CO?資源化利用從實驗室走向工業化的核心驅動力。本文將詳細闡述流動電化學技術助力 CO?資源化利用高效轉化的原理、應用及發展前景。

二、流動電化學技術基礎原理

2.1 傳質強化

      在電催化 CO?還原反應中，傳質過程是影響反應速率和效率的關鍵因素。CO?在水溶液中的溶解度較低，且其擴散速率緩慢，導致電極表面 CO?濃度難以維持在較高水平，限制了反應的進行。流動電化學技術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?能夠更快速地傳輸到電極表面參與反應。根據流體動力學原理，層流或湍流設計可使 Nernst 擴散層厚度從傳統體系的～100μm 壓縮至 < 10μm，極大地加速了 CO?的傳質速率。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，實現了傳質效率的大化，可將 CO?傳質速率提升至傳統體系的 5 - 10 倍，顯著提高了電流密度與產物收率。

      此外，流動誘導的剪切力可抑制氣泡附著在電極表面。在電催化反應過程中，析氫等副反應產生的氣泡會占據電極活性位點，降低反應效率。而流動電解液產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?的持續還原反應。

2.2 界面調控

      除了傳質強化，流動電化學技術還能夠對反應界面進行有效調控，從而優化反應性能。通過設計不同的流動池結構和電極配置，可以實現對反應界面處電場、溫度、pH 值等物理化學參數的精確控制。

      以垂直流動池為例，其結構設計適合高電流密度的工業場景，如電解槽堆疊。在這種構型中，電解液垂直于電極表面流動，能夠實現更均勻的物質傳輸和電流分布。同時，垂直流動池可集成熱管理系統，通過控制電解液的溫度，維持反應在適宜的溫度范圍內進行，避免因反應放熱導致的溫度過高而影響電極性能和產物選擇性。

      微流控流動池則利用微通道的特殊結構和流體力學特性，在納米級尺度上精準調控傳質過程。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的流速、流量等參數，能夠創造出高度均一且可控的反應微環境，為深入理解 CO?電催化還原反應機理提供了有力工具。

三、流動電化學在 CO?資源化利用中的關鍵應用

3.1 高附加值產物合成

      流動電化學技術在 CO?轉化為高附加值化學品方面展現出巨大潛力，能夠實現從 C1 產物到 Cn 多碳產物的高效合成。

在 C1 產物合成方面，InSituFlow 公司開發的流動池搭配 Ag 電極，取得了顯著成果。實驗數據表明，該體系中 CO 的法拉第效率高達 95%，電流密度提升至 500mA/cm2，而傳統體系中電流密度僅為 50mA/cm2。這一突破得益于流動池對傳質的優化，使 CO?能夠更高效地轉化為 CO。

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

3.2 與可再生能源耦合的工業化場景

      隨著全球對可再生能源的大力開發和利用，將流動電化學 CO?轉化技術與可再生能源（如太陽能、風能）相結合，構建綠色低碳的工業生產模式，具有廣闊的應用前景。

      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。在實際應用中，利用太陽能光伏發電產生的電能驅動流動池中的 CO?轉化反應，實現 “綠電驅動 CO?轉化"。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?轉化產物中，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，便是這一應用場景的成功示范。該系統日處理 CO?量可達 5kg，產物甲醇純度 > 99%。通過將流動電化學技術與可再生能源相結合，實現了 CO?的大規模資源化利用，為工業化生產提供了可行的技術方案。

四、流動電化學技術的研究進展

4.1 新型流動池結構開發

      近年來，為了進一步提升流動電化學系統在 CO?轉化中的性能，科研人員開發了多種新型流動池結構。

      薄層流動池通過減小電解液層的厚度，有效縮短了 CO?和產物的擴散路徑。這不僅提高了傳質效率，還降低了溶液電阻，減少了能量損耗。在實際應用中，薄層流動池能夠在較低的電壓下實現高效的 CO?轉化，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構和流體力學特性，實現了對反應過程的精確控制。在微流控芯片中，通過設計不同形狀和尺寸的微通道，可以精確調控電解液的流速、流量以及反應物質的濃度分布。這種精確控制能力使得微流控流動池在研究 CO?電催化還原反應機理方面具有優勢，能夠為優化反應條件和開發新型催化劑提供重要的實驗數據支持。

      氣體擴散電極（GDE）型流動池由于其氣體擴散層設計，成為 CO?轉化領域的研究熱點之一。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等副反應的發生，提高目標產物的選擇性。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?+ 產物選擇性的影響，為深入理解催化反應機制提供了新的見解。

4.2 電極材料創新

      電極材料是流動電化學系統的核心組成部分，其性能直接決定了 CO?轉化的效率和選擇性。為了滿足流動電化學技術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方面取得了一系列重要進展。

      一方面，通過對傳統催化劑進行優化改性，提高其催化活性和穩定性。例如，采用納米技術制備具有特殊結構和電子性質的納米材料，如納米管、納米線、多孔結構等，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，調控其電子結構和表面化學性質，進一步優化催化劑對 CO?還原反應的選擇性。

      另一方面，開發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，能夠產生協同效應，調節催化劑的電子結構和表面性質，從而改善催化性能。Au - Cu 合金催化劑在提高 CO?還原產 C?+ 產物的選擇性方面表現出良好的潛力。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、環境友好等優點，也在電催化 CO?轉化領域展現出一定的應用前景。

      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定性，還能通過與催化劑之間的相互作用調節其電子結構，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電性和良好化學穩定性的碳納米管、石墨烯等碳基材料上，能夠有效提高電極的導電性和抗腐蝕性能，從而提升 CO?轉化效率和穩定性。

4.3 原位表征技術應用

      為了深入理解流動電化學體系中 CO?轉化反應的機理，實時監測反應過程中的動態變化，原位表征技術在相關研究中得到了廣泛應用。原位表征技術能夠在反 應條件下對電極表面的結構、組成、電子狀態以及反應中間體等進行直接觀測，為揭示反應機制、優化催化劑設計和反應條件提供關鍵信息。

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

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

      廈門大學化學化工學院王野、謝順吉教授團隊結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，證實了反應過程中 Cu?可穩定存在，并揭示了 Cu?促進水活化和 C - C 偶聯生成 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。這些原位表征技術的應用，極大地推動了流動電化學 CO?轉化技術的發展，為實現高效、穩定的 CO?資源化利用提供了堅實的理論基礎。

五、挑戰與展望

      盡管流動電化學技術在 CO?資源化利用的高效轉化方面取得了顯著進展，但要實現大規模工業化應用，仍面臨諸多挑戰。

     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生脫落，導致電極活性下降和催化劑壽命縮短。這需要進一步開發新型的耐腐蝕材料和優化電極制備工藝，以提高電極和膜材料在流動體系中的穩定性和使用壽命。

      流動體系中的傳質均一性與流量調控也是需要解決的關鍵問題。在大規模工業化應用中，如何確保電解液在整個流動池中實現均勻的流動和傳質，避免出現局部傳質受限或流量不均的情況，是提高反應效率和產物一致性的重要前提。仿生流動設計為解決這一問題提供了新的思路，通過模擬生物血管網絡的分級流道結構，有望實現微尺度傳質均一性與宏尺度流量調控的協同優化。

      此外，開發智能響應材料也是未來研究的重要方向之一。例如，設計 pH / 電位響應型流道涂層，使其能夠根據反應過程中的 pH 值或電位變化動態調節表面潤濕性，以適應不同反應階段的需求（如 CO?吸附期與產物脫附期），從而進一步提高反應效率和產物選擇性。

      在工藝優化方面，人工智能輔助優化技術具有巨大潛力。利用機器學習模型可以預測流動參數（流速、壓力、溫度）與產物分布之間的映射關系，通過對大量實驗數據和模擬結果的學習和分析，實現對流動電化學工藝的全自動優化，提高工藝開發的效率和準確性。

      展望未來，隨著跨學科技術的深度融合，如微納制造技術為新型流動池結構和電極材料的制備提供更精確的加工手段，智能傳感技術實現對反應過程的實時監測和反饋控制，流動電化學技術有望推動 CO?轉化從 “概念驗證" 邁向 “規模量產" 階段，為全球碳中和目標的實現提供核心技術支撐，在應對氣候變化和推動可持續發展方面發揮重要作用。

產品展示

      SSC-PEFC20光電流動反應池實現雙室二、三、四電極的電化學實驗，可以實現雙光路照射，用于半導體材料的氣-固-液三相界面光電催化或電催化的性能評價，可應用在流動和循環光電催化N2、CO2還原反應。反應池的優勢在于采用高純CO2為原料氣可以直接參與反應，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下不斷為催化劑表面提供反應原料。

      SSC-PEFC20光電流動反應池解決了商業電催化CO2還原反應存在的漏液、漏氣問題，采用全新的純鈦材質池體，實現全新的外觀設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還原反應的催化活性，為實現CO2還原的工業化提供了可行方案。

 產品優勢：

      ● 半導體材料的電化學、光電催化反應活性評價；

      ● 用于CO2還原光電催化、光電解水、光電降解、燃料電池等領域；                

      ● 微量反應系統，極低的催化劑用量；

      ● 配置有耐150psi的石英光窗；

      ● 采用純鈦材質，耐壓抗腐蝕；

      ● 導電電極根據需要可表面鍍金、鈀或鉑，導電性能好，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、循環系統配合，搭建光電催化CO2還原系統，實現在線實時測試分析。