一、引言

      化學(xué)合成作為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的核心，不斷追求高效、綠色與可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)化學(xué)合成方法在諸多方面面臨挑戰(zhàn)，如反應(yīng)效率低下、副產(chǎn)物多、能耗高以及環(huán)境污染嚴(yán)重等。流動(dòng)電化學(xué)作為一種創(chuàng)新的技術(shù)手段，融合了電化學(xué)和流體流動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，為化學(xué)合成領(lǐng)域帶來了新的曙光。它能夠有效克服傳統(tǒng)方法的不足，實(shí)現(xiàn)更高效、更環(huán)保的化學(xué)反應(yīng)過程，正逐漸成為化學(xué)領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)，有望化學(xué)合成邁向綠色高效的新征程。

二、流動(dòng)電化學(xué)的原理

2.1 基本電化學(xué)原理

      電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是電子在電極與反應(yīng)物之間的轉(zhuǎn)移。在電解池中，陽極發(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。例如，在常見的銅離子電解沉積反應(yīng)中，陽極的銅原子失去電子變成銅離子進(jìn)入溶液（Cu - 2e? = Cu2?），溶液中的銅離子在陰極得到電子沉積為銅單質(zhì)（Cu2? + 2e? = Cu）。這一過程中，電子的定向移動(dòng)形成電流，驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。電極的性質(zhì)、電解液的組成以及反應(yīng)條件（如溫度、壓力等）都會(huì)對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的速率和選擇性產(chǎn)生顯著影響。不同的電極材料具有不同的電子傳遞能力和催化活性，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)路徑和產(chǎn)物分布的差異；電解液中的離子種類和濃度則會(huì)影響離子的遷移速率和反應(yīng)活性。

2.2 流動(dòng)體系對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的影響

      當(dāng)引入流體流動(dòng)時(shí)，電解液在電極表面的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。穩(wěn)定且均勻的層流能夠使反應(yīng)物更有序地向電極表面?zhèn)鬏?，同時(shí)及時(shí)帶走反應(yīng)產(chǎn)物，減少濃差極化現(xiàn)象。例如，在流動(dòng)電解池中進(jìn)行有機(jī)電合成反應(yīng)時(shí)，流動(dòng)的電解液可確保有機(jī)反應(yīng)物持續(xù)且均勻地到達(dá)電極表面，避免反應(yīng)物在電極附近的濃度降低，從而維持較高的反應(yīng)速率。同時(shí)，快速帶走反應(yīng)生成的產(chǎn)物，防止產(chǎn)物在電極表面的積累，減少了副反應(yīng)的發(fā)生。

2.3 傳質(zhì)過程與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

     在流動(dòng)電化學(xué)體系中，傳質(zhì)過程對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)起著關(guān)鍵作用。與傳統(tǒng)的靜態(tài)體系相比，流動(dòng)能夠顯著加快反應(yīng)物的傳質(zhì)速率，使反應(yīng)更接近動(dòng)力學(xué)控制。以電催化析氫反應(yīng)為例，流動(dòng)的電解液能快速將氫離子輸送到陰極表面，同時(shí)迅速帶走產(chǎn)生的氫氣氣泡，有效提高了析氫反應(yīng)的速率和效率。根據(jù) Fick 定律，物質(zhì)的擴(kuò)散通量與濃度梯度成正比，流動(dòng)可以增大濃度梯度，從而加快擴(kuò)散速率。此外，流動(dòng)還能影響反應(yīng)的活化能，通過改變反應(yīng)物和產(chǎn)物在電極表面的吸附和脫附行為，對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生積極影響。

三、流動(dòng)電化學(xué)的優(yōu)勢(shì)

3.1 高效傳質(zhì)提高反應(yīng)速率

     流動(dòng)電化學(xué)通過優(yōu)化傳質(zhì)過程，極大地提高了反應(yīng)速率。研究表明，在流動(dòng)電解池中進(jìn)行的某些有機(jī)合成反應(yīng)，其反應(yīng)速率可比傳統(tǒng)批次反應(yīng)提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。如在合成某種藥物中間體的反應(yīng)中，流動(dòng)電化學(xué)體系下，反應(yīng)能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率，而傳統(tǒng)批次反應(yīng)則需要更長的反應(yīng)時(shí)間才能達(dá)到相近的效果。這是因?yàn)榱鲃?dòng)能快速補(bǔ)充反應(yīng)物到電極表面，同時(shí)及時(shí)移除產(chǎn)物，保持反應(yīng)界面的高濃度差，使反應(yīng)持續(xù)高效進(jìn)行。

3.2 精準(zhǔn)控制反應(yīng)參數(shù)

      該技術(shù)可精確控制電解液流速、溫度、電極電位等多種參數(shù)。通過精準(zhǔn)調(diào)控這些參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反應(yīng)路徑和產(chǎn)物選擇性的精細(xì)控制。例如，在合成具有不同官能團(tuán)化的有機(jī)化合物時(shí)，通過調(diào)節(jié)電極電位和電解液流速，可以選擇性地促進(jìn)目標(biāo)官能團(tuán)的引入，抑制副反應(yīng)的發(fā)生，從而提高產(chǎn)物的純度和收率。在一些復(fù)雜的多步反應(yīng)中，精確控制反應(yīng)參數(shù)能夠確保每一步反應(yīng)都在最佳條件下進(jìn)行，提高整個(gè)合成路線的效率和可靠性。

3.3 連續(xù)化生產(chǎn)潛力

      流動(dòng)電化學(xué)適合連續(xù)化生產(chǎn)模式，這為大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用提供了可能。連續(xù)化生產(chǎn)能夠減少生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，降低成本。與傳統(tǒng)的批次生產(chǎn)相比，連續(xù)化生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)原料的連續(xù)投入和產(chǎn)品的連續(xù)產(chǎn)出，避免了批次間的切換時(shí)間和物料損失。以化工產(chǎn)品的生產(chǎn)為例，采用流動(dòng)電化學(xué)連續(xù)化生產(chǎn)工藝，能夠大幅提高生產(chǎn)能力，同時(shí)減少設(shè)備占地面積和人工成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

3.4 綠色環(huán)保特性

      在綠色化學(xué)方面，流動(dòng)電化學(xué)具有突出優(yōu)勢(shì)。一方面，它減少了有毒有害氧化劑和還原劑的使用，降低了化學(xué)試劑對(duì)環(huán)境的危害。許多傳統(tǒng)化學(xué)合成方法需要使用大量強(qiáng)氧化性或強(qiáng)還原性的化學(xué)試劑，這些試劑在使用過程中不僅存在安全風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)產(chǎn)生大量難以處理的廢棄物。而流動(dòng)電化學(xué)利用電子作為 “清潔試劑"，通過電極反應(yīng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的氧化還原，避免了大量化學(xué)試劑的消耗。另一方面，流動(dòng)電化學(xué)能夠提高原子經(jīng)濟(jì)性，減少副產(chǎn)物的生成，降低廢棄物的產(chǎn)生量，符合綠色化學(xué)的發(fā)展理念。

四、流動(dòng)電化學(xué)在化學(xué)合成中的應(yīng)用

4.1 有機(jī)合成領(lǐng)域

4.1.1 碳 - 碳鍵形成反應(yīng)

      在有機(jī)合成中，碳 - 碳鍵的形成是構(gòu)建復(fù)雜有機(jī)分子的關(guān)鍵步驟。流動(dòng)電化學(xué)在這方面展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。例如，通過流動(dòng)電化學(xué)方法可以實(shí)現(xiàn)芳基鹵化物與烯烴的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，高效地構(gòu)建碳 - 碳雙鍵。與傳統(tǒng)的有機(jī)合成方法相比，該方法無需使用昂貴且有毒的過渡金屬催化劑，反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)率較高。在一項(xiàng)研究中，利用流動(dòng)電化學(xué)體系，以溴苯和丙烯酸乙酯為原料，在特定電極和電解液條件下，成功實(shí)現(xiàn)了二者的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)物收率可達(dá) 80% 以上，且反應(yīng)時(shí)間明顯縮短。

4.1.2 官能團(tuán)轉(zhuǎn)化反應(yīng)

      流動(dòng)電化學(xué)在官能團(tuán)轉(zhuǎn)化反應(yīng)中也有廣泛應(yīng)用。例如，將醇氧化為醛或酮是有機(jī)合成中的常見反應(yīng)。傳統(tǒng)方法常使用化學(xué)計(jì)量的氧化劑，產(chǎn)生大量廢棄物。而流動(dòng)電化學(xué)可通過陽極氧化實(shí)現(xiàn)醇的選擇性氧化。以乙醇氧化為例，在合適的流動(dòng)電解池中，使用特定電極材料和電解液，能夠?qū)⒁掖几哌x擇性地氧化為乙醛，避免了過度氧化生成乙酸，且反應(yīng)過程綠色環(huán)保，無需額外添加大量化學(xué)氧化劑。

4.2 藥物合成與研發(fā)

4.2.1 復(fù)雜藥物分子的合成

      藥物研發(fā)過程中，合成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的藥物分子是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的任務(wù)。流動(dòng)電化學(xué)為復(fù)雜藥物分子的合成提供了新途徑。許多藥物分子含有特定的官能團(tuán)和復(fù)雜的碳骨架結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)合成方法往往步驟繁瑣、產(chǎn)率低。利用流動(dòng)電化學(xué)，可以通過設(shè)計(jì)合理的電極反應(yīng)和流動(dòng)體系，實(shí)現(xiàn)多步反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，簡化合成路線。例如，在合成某種抗癌藥物中間體時(shí)，采用流動(dòng)電化學(xué)技術(shù)，通過連續(xù)的電化學(xué)反應(yīng)，能夠在同一裝置內(nèi)完成多個(gè)官能團(tuán)的引入和轉(zhuǎn)化，減少了中間體的分離和純化步驟，提高了整體合成效率和產(chǎn)物純度。

4.2.2 藥物代謝產(chǎn)物研究

      在藥物研發(fā)中，了解藥物的代謝產(chǎn)物及其形成過程對(duì)于評(píng)估藥物的安全性和有效性至關(guān)重要。流動(dòng)電化學(xué)可用于模擬藥物在體內(nèi)的代謝過程，快速氧化和還原藥物代謝產(chǎn)物，有助于研究藥物代謝途徑和機(jī)制。通過在流動(dòng)體系中設(shè)置合適的電極電位和反應(yīng)條件，可以模擬體內(nèi)的氧化還原環(huán)境，對(duì)藥物分子進(jìn)行電化學(xué)轉(zhuǎn)化，生成與體內(nèi)代謝產(chǎn)物相似的化合物。這為藥物代謝研究提供了一種高效、快速的方法，能夠加速藥物研發(fā)進(jìn)程，降低研發(fā)成本。

4.3 能源材料制備

4.3.1 電池材料合成

      在電池材料領(lǐng)域，流動(dòng)電化學(xué)可用于制備高性能的電極材料。例如，通過電沉積的方法在流動(dòng)體系中合成鋰離子電池的正極材料 LiCoO?。流動(dòng)的電解液能夠確保金屬離子在電極表面均勻沉積，形成結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)良的電極材料。與傳統(tǒng)合成方法相比，流動(dòng)電沉積制備的 LiCoO?電極材料具有更好的晶體結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能，電池的充放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性得到顯著提高。

4.3.2 電催化劑制備

      高效的電催化劑對(duì)于提高電化學(xué)反應(yīng)效率至關(guān)重要。流動(dòng)電化學(xué)在電催化劑制備方面具有優(yōu)勢(shì)。以制備用于燃料電池的鉑基電催化劑為例，在流動(dòng)體系中，可以通過控制電解液的流速、電極電位和反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，精確調(diào)控鉑納米顆粒的尺寸、形貌和分散度。小尺寸、高分散的鉑納米顆粒作為電催化劑，能夠顯著提高燃料電池的催化活性和穩(wěn)定性，降低貴金屬的用量，提高燃料電池的性價(jià)比。

五、流動(dòng)電化學(xué)面臨的挑戰(zhàn)與解決方案

5.1 流體動(dòng)力學(xué)與工程設(shè)計(jì)難題

       在流動(dòng)電化學(xué)體系中，精確控制電解液的流動(dòng)狀態(tài)是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。復(fù)雜的流道設(shè)計(jì)和不均勻的流速分布可能導(dǎo)致電極表面反應(yīng)不均勻，影響反應(yīng)效果。為解決這一問題，需要運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）等技術(shù)對(duì)流動(dòng)體系進(jìn)行模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過 CFD 模擬，可以預(yù)測(cè)電解液在不同流道結(jié)構(gòu)和流速條件下的流動(dòng)狀態(tài)，從而優(yōu)化流道設(shè)計(jì)，確保電解液在電極表面形成均勻穩(wěn)定的流場(chǎng)。同時(shí)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，采用高精度的微加工技術(shù)制造流道，提高流道的加工精度和表面質(zhì)量，減少流體流動(dòng)的阻力和不均勻性。

5.2 電極穩(wěn)定性與壽命問題

       流動(dòng)的電解液對(duì)電極表面會(huì)產(chǎn)生沖刷作用，可能導(dǎo)致電極材料的磨損和溶解，影響電極的穩(wěn)定性和使用壽命。為提高電極穩(wěn)定性，一方面可以選擇合適的電極材料，如具有高硬度、耐腐蝕性的材料。例如，在一些酸性電解液體系中，采用鈦基涂層電極，其表面的特殊涂層能夠有效抵抗酸性介質(zhì)的腐蝕和電解液的沖刷。另一方面，通過表面修飾技術(shù)改善電極表面性能。如在電極表面沉積一層納米級(jí)的保護(hù)膜，既能提高電極的催化活性，又能增強(qiáng)電極的抗沖刷和抗腐蝕能力，延長電極的使用壽命。

5.3 系統(tǒng)集成與放大挑戰(zhàn)

       將流動(dòng)電化學(xué)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模放大到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，面臨著系統(tǒng)集成和放大的諸多挑戰(zhàn)。不同組件之間的兼容性、大規(guī)模生產(chǎn)中的參數(shù)控制以及設(shè)備成本的增加等都是需要解決的問題。在系統(tǒng)集成方面，需要開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的組件和接口，確保各個(gè)部分能夠協(xié)同工作。例如，設(shè)計(jì)通用的電解液供應(yīng)系統(tǒng)、電極模塊和檢測(cè)控制系統(tǒng)，便于不同實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)根據(jù)自身需求進(jìn)行組裝和調(diào)試。在放大過程中，利用數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)測(cè)。通過建立反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和傳質(zhì)傳熱模型，模擬大規(guī)模生產(chǎn)中的反應(yīng)過程，提前優(yōu)化參數(shù)，減少放大過程中的不確定性，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)電化學(xué)技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

六、結(jié)論與展望

6.1 研究總結(jié)

      流動(dòng)電化學(xué)作為一種創(chuàng)新的技術(shù)，通過巧妙地將電化學(xué)與流體流動(dòng)相結(jié)合，展現(xiàn)出眾多傳統(tǒng)化學(xué)合成方法難以企及的優(yōu)勢(shì)。其工作原理賦予了它高效傳質(zhì)、精準(zhǔn)控制反應(yīng)參數(shù)以及連續(xù)化生產(chǎn)的潛力，在有機(jī)合成、藥物研發(fā)、能源材料制備等多個(gè)重要領(lǐng)域取得了令人矚目的應(yīng)用成果，為化學(xué)合成開辟了一條綠色高效的新路徑。盡管目前在流體動(dòng)力學(xué)、電極穩(wěn)定性和系統(tǒng)放大等方面仍面臨挑戰(zhàn)，但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，這些問題正逐步得到解決。

6.2 未來發(fā)展趨勢(shì)

      展望未來，流動(dòng)電化學(xué)有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破和拓展。在基礎(chǔ)研究方面，深入探究流動(dòng)體系中電化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)理，進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)條件和電極材料，將為其應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在應(yīng)用層面，隨著技術(shù)的成熟，流動(dòng)電化學(xué)將在綠色化工生產(chǎn)中發(fā)揮更大作用，推動(dòng)化學(xué)工業(yè)向更加環(huán)保、高效的方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。同時(shí)，與其他新興技術(shù)如人工智能、微流控技術(shù)等的深度融合，將為流動(dòng)電化學(xué)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。例如，利用人工智能算法優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化控制；借助微流控技術(shù)進(jìn)一步提高反應(yīng)的精準(zhǔn)度和集成度。可以預(yù)見，流動(dòng)電化學(xué)將在未來的化學(xué)合成領(lǐng)域持續(xù)發(fā)光發(fā)熱，為解決全球面臨的能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等問題貢獻(xiàn)重要力量，化學(xué)合成開啟更加輝煌的綠色高效新征程。

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。