一、引言

      電化學流動池技術作為一種新興且具潛力的技術，在能源存儲與轉化、化工合成、環境修復等諸多領域展現出優勢。傳統的電化學裝置在傳質效率、反應速率和產物選擇性等方面存在一定局限，而流動池技術通過引入電解液的流動，有效改善了反應體系的物質傳輸過程，顯著提升了電化學反應的性能。近年來，隨著對高效、綠色、可持續化學過程需求的不斷增長，科研人員致力于開發新型結構與材料，期望通過二者的協同效應進一步突破電化學流動池技術的性能瓶頸。新型結構的設計旨在優化流動池內的流體力學條件和電場分布，而新型材料的研發則聚焦于提高電極的催化活性、穩定性和選擇性。二者的協同作用能夠從多個維度提升流動池的性能，如提高反應速率、降低能耗、增強產物選擇性等，為該技術的大規模實際應用奠定基礎。

二、電化學流動池技術基礎

2.1 工作原理

      電化學流動池的工作基于電化學反應原理，當電解液在外部驅動力（如壓力泵）作用下流經電極表面時，電極上施加的電勢促使反應物在電極表面發生氧化還原反應。以常見的電催化二氧化碳還原反應為例，二氧化碳在陰極表面得到電子，經過一系列復雜的電子轉移步驟和中間體形成過程，被還原為一氧化碳、甲烷、甲酸等產物，同時陽極發生相應的氧化反應，如析氧反應。在這個過程中，電解液不僅作為反應物和產物的傳輸介質，還參與維持電荷平衡，確保電化學反應的持續進行。流動的電解液不斷補充反應物至電極表面，同時迅速帶走產物，避免了反應物濃度在電極表面的過度消耗和產物的積累，從而維持反應的高效進行。

2.2 傳統結構與材料的局限

      傳統電化學流動池在結構方面，電解液層較厚，導致反應物和產物的擴散路徑長，傳質效率低。例如，在靜態或常規流動模式下，二氧化碳在電解液中的擴散速率有限，使得其到達電極表面參與反應的量不足，限制了反應速率和電流密度的提升。而且傳統結構的流道設計可能存在死區，流體在這些區域流速極低甚至停滯，導致反應物無法充分利用，影響整體反應效率。

      在材料方面，傳統電極材料的催化活性和選擇性難以滿足實際應用需求。以二氧化碳電還原反應為例，許多傳統催化劑對目標產物的選擇性較低，容易發生析氫等副反應，消耗大量電能且降低產物純度。同時，傳統催化劑的穩定性不足，在長時間的電化學反應過程中，容易因結構變化、雜質吸附等原因導致活性下降，影響流動池的長期穩定運行。此外，傳統的電解液材料在溶解性、導電性和化學穩定性等方面也存在一定缺陷，限制了反應體系的性能優化。

三、新型結構的創新設計

3.1 薄層流動池

      薄層流動池通過極大地減小電解液層的厚度，對提升傳質效率具有顯著效果。一般而言，其電解液層厚度可控制在幾十微米甚至更低，相較于傳統流動池大幅縮短了反應物和產物的擴散路徑。以電催化二氧化碳還原反應為例，在薄層流動池中，二氧化碳從本體溶液擴散到電極表面的時間顯著縮短，能夠快速參與反應，使得反應速率大幅提高。同時，由于擴散路徑縮短，歐姆電阻降低，能量損耗也相應減少。有研究表明，在相同的反應條件下，薄層流動池中的二氧化碳傳質速率可比傳統流動池提高數倍，從而實現更高的電流密度，提升了整體反應效率。此外，薄層結構還能使電場分布更加均勻，有利于反應的均勻進行，提高產物的一致性。

3.2 微流控流動池

      微流控流動池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。微通道的尺寸通常在微米級別，這種微小尺度賦予了流的流動特性，如層流現象顯著，不同流體在微通道內能夠以穩定的層流形式流動，互不干擾，為精確控制反應試劑的混合比例和反應進程提供了可能。在微流控流動池中，可以通過設計不同的微通道布局和連接方式，實現對反應物的精準輸送和混合，在微觀尺度上優化反應條件。例如，通過精確控制微通道內電解液和氣體反應物的流速和流量比，能夠有效調節反應的局部環境，提高目標產物的選擇性。而且，微流控流動池非常適合用于研究電催化反應機理，在微觀尺度下對反應過程進行實時監測和分析，有助于深入理解反應動力學和中間產物的生成與轉化過程，為優化宏觀流動池的設計和反應條件提供理論基礎。

3.3 氣體擴散電極（GDE）型流動池

      GDE 型流動池憑借其的氣體擴散層設計，在提高二氧化碳利用效率和抑制副反應方面表現出色。在該類型流動池中，氣體擴散層允許二氧化碳氣體直接與催化劑表面接觸，避免了二氧化碳在電解液中的大量溶解損失。傳統流動池中，二氧化碳需先溶解在電解液中再擴散至電極表面反應，這一過程中存在較大的傳質阻力且部分二氧化碳會因溶解平衡而損失。而 GDE 型流動池使二氧化碳能夠以氣相形式高效傳輸至催化劑活性位點，大大提高了二氧化碳的利用效率。同時，由于氣體擴散層的存在，能夠有效改變電極表面的局部環境，抑制析氫等副反應的發生。例如，在電催化二氧化碳還原反應中，析氫反應通常在高電流密度下容易發生，與二氧化碳還原反應競爭電子，降低產物選擇性。但在 GDE 型流動池中，通過合理設計氣體擴散層和電極結構，能夠調節電極表面的電場分布和反應物濃度分布，減少析氫反應的發生概率，提高目標產物（如一氧化碳、甲酸等）的選擇性，從而提升整個反應體系的性能。

四、新型材料的研發進展

4.1 具有特殊結構的納米材料

       具有特殊結構的納米材料，如納米管、納米線、多孔結構等，在提升電極催化性能方面具有顯著優勢。這些納米材料具有極大的比表面積，能夠提供豐富的活性位點，增加反應物與催化劑的接觸面積，從而提高反應速率。以納米管為例，其管狀結構不僅提供了高比表面積，還能引導反應物和產物的傳輸方向，促進物質在電極表面的吸附和脫附過程。在電催化反應中，納米管電極能夠有效增強對反應物分子的富集作用，使反應物在活性位點附近的濃度顯著提高，加快反應動力學過程。多孔結構的納米材料同樣具有優異的性能，其內部錯綜復雜的孔道結構進一步增大了比表面積，同時有利于電解液的滲透和擴散，使電極在反應過程中能夠充分與電解液接觸，提高了電極的利用率。例如，多孔納米結構的催化劑在電催化析氧反應中，能夠在較低的過電位下實現較高的電流密度，展現出良好的催化活性和穩定性。

4.2 復合載體材料

      將催化劑與載體材料進行復合是提高電極性能的重要手段。載體材料在這一復合體系中發揮著多重關鍵作用。一方面，載體材料能夠顯著提高催化劑的分散性，使催化劑顆粒均勻分布在載體表面，避免催化劑團聚，從而充分發揮催化劑的活性。例如，將金屬催化劑負載在具有高比表面積的碳納米管、石墨烯等碳基材料上，碳基材料的大比表面積為催化劑提供了豐富的附著位點，有效阻止了催化劑顆粒的聚集長大，確保了催化劑活性位點的充分暴露。另一方面，載體材料能通過與催化劑之間的相互作用調節其電子結構。這種電子結構的調節可以改變催化劑對反應物的吸附和活化能力，進而提升催化活性和選擇性。以負載型金屬催化劑為例，載體與金屬催化劑之間可能存在電子轉移，使得金屬催化劑表面的電子云密度發生變化，優化了反應物分子在催化劑表面的吸附模式，有利于目標反應路徑的進行，提高了對特定產物的選擇性。此外，載體材料還能增強電極的整體穩定性，在電化學反應過程中保護催化劑免受腐蝕和結構破壞，延長電極的使用壽命。

五、新型結構與材料的協同效應機制

5.1 提高傳質效率

      新型結構與材料在提高傳質效率方面存在顯著的協同作用。例如，在 GDE 型流動池中采用具有多孔結構的納米材料作為電極催化劑，氣體擴散層使二氧化碳氣體能夠高效傳輸至電極表面，而多孔納米材料的復雜孔道結構則進一步促進了電解液在電極內部的滲透和擴散，使得二氧化碳與電解液中的反應物種能夠在電極活性位點附近快速混合，極大地提高了傳質效率。在這種協同作用下，反應物能夠迅速到達反應區域，產物也能及時被帶走，維持了反應的高效進行。又如，微流控流動池的精確流體控制與具有高比表面積的納米管電極材料相結合，微流控通道能夠精準輸送反應物至納米管電極表面，納米管的高比表面積增加了反應物的吸附量，二者協同使得傳質過程更加高效，反應速率大幅提升。通過結構與材料的協同優化傳質效率，能夠有效提高反應體系的電流密度，實現更高效的電化學反應。

5.2 改善局部反應環境

      新型結構與材料的協同對改善局部反應環境具有重要意義。以薄層流動池搭配復合載體材料電極為例，薄層結構能夠快速帶走反應產生的熱量和副產物，避免電極表面過熱和副產物積累對反應性能的負面影響。同時，復合載體材料中的載體部分可以通過自身的物理化學性質調節電極表面的微環境，如改變表面電荷分布、調節局部 pH 值等。例如，一些具有酸堿緩沖能力的載體材料能夠在反應過程中維持電極表面 pH 值的相對穩定，有利于特定反應的進行。在電催化二氧化碳還原制甲酸的反應中，這種協同作用能夠確保反應在適宜的局部環境下進行，提高甲酸的產率和選擇性。又如，在氣體擴散電極型流動池中，氣體擴散層與具有特殊電子結構的納米材料催化劑協同作用，氣體擴散層控制氣體反應物的供應速率，納米材料催化劑的特殊電子結構優化反應物的吸附和活化過程，二者共同營造了有利于目標反應的局部反應環境，抑制了副反應的發生，提升了反應的整體性能。

5.3 降低能耗

      新型結構與材料的協同能夠有效降低電化學流動池的能耗。從結構方面來看，薄層流動池通過減小電解液層厚度降低了溶液電阻，減少了電能在傳輸過程中的損耗。從材料角度，具有高催化活性的新型納米材料和優化電子結構的復合載體材料電極，能夠降低反應的過電位，使反應在較低的電壓下就能高效進行。例如，將納米線結構的催化劑負載在具有良好導電性和電子調節能力的復合載體上，納米線的高活性位點降低了反應活化能，復合載體改善了電子傳輸效率，二者協同使得電催化反應能夠在較低的槽壓下實現高電流密度運行，減少了電能消耗。此外，合理的結構設計如微流控流動池對流體的精確控制，避免了不必要的能量浪費，與高效的材料相結合，進一步降低了整個流動池系統的能耗，提高了能源利用效率，為大規模應用提供了更經濟可行的方案。

六、原位表征技術對協同效應研究的作用

6.1 實時監測反應動態

      原位表征技術能夠在電化學反應進行的同時，實時監測反應體系中的動態變化。例如，原位光譜技術中的原位紅外光譜可以實時捕捉反應過程中分子振動信息的變化，從而監測反應中間體的生成與轉化。在研究新型結構與材料協同作用下的電催化二氧化碳還原反應時，通過原位紅外光譜能夠觀察到二氧化碳在特定結構的流動池和材料表面吸附后形成的不同中間體，以及這些中間體如何隨著反應時間和條件變化而進一步反應生成產物。這有助于深入了解在新型結構提供的特殊反應環境下，新型材料對反應路徑的影響機制，明確結構與材料協同作用在反應動態過程中的具體表現。原位 X 射線技術中的原位 X 射線吸收光譜能夠實時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。通過監測在不同流動池結構中使用新型材料作為催化劑時，其電子結構隨反應進程的改變，能夠揭示結構與材料協同如何影響催化劑的活性位點和反應機理，為優化協同效應提供關鍵的實時動態數據。

6.2 揭示協同機制

      借助原位表征技術，可以深入揭示新型結構與材料的協同機制。例如，電化學石英晶體微天平能夠在反應過程中實時測量電極表面質量的微小變化，結合其他原位表征手段，能夠分析在不同流動池結構中，新型材料電極表面物質的吸附、脫附以及反應引起的質量變化情況。通過研究在薄層流動池結構中使用復合載體材料電極時，電極表面質量變化與反應電流、產物生成之間的關系，能夠明確結構因素（如薄層促進傳質）如何與材料因素（如復合載體調節催化劑活性）協同作用，影響反應的進行。此外，通過原位表征技術對不同反應條件下的多組實驗數據進行綜合分析，能夠構建出完整的協同作用模型，從微觀層面解釋新型結構與材料如何通過相互配合，在提高傳質效率、改善局部反應環境和降低能耗等方面發揮協同效應，為進一步優化流動池技術提供堅實的理論依據。

七、應用前景與挑戰

7.1 能源領域應用

      在能源存儲與轉化方面，電化學流動池技術具有廣闊的應用前景。例如，在電催化二氧化碳還原領域，通過新型結構與材料的協同優化，能夠高效地將二氧化碳轉化為高附加值的燃料和化學品，如一氧化碳、甲烷、甲醇等，實現二氧化碳的資源化利用，同時將間歇性的可再生能源（太陽能、風能等）以化學能的形式存儲在產物中，有助于構建可持續的能源體系。在新型電池體系中，如流動電池，利用新型結構設計優化電解液的流動和離子傳輸，結合高性能的電極材料，能夠提高電池的充放電效率、容量和循環穩定性，為大規模儲能提供更可靠的解決方案。此外，在電解水制氫領域，新型結構與材料協同作用的流動池能夠在較低能耗下實現高效的析氫和析氧反應，提高氫氣的生產效率，為氫能的大規模應用奠定基礎。

7.2 化工合成領域應用

      在化工合成領域，電化學流動池技術借助新型結構與材料的協同優勢，能夠實現綠色、高效的有機合成過程。例如，在有機電合成反應中，通過設計合適的流動池結構，如微流控流動池實現對反應條件的精確控制，搭配具有高選擇性的新型催化劑材料，能夠定向合成特定結構的有機化合物，避免傳統化學合成方法中使用大量有毒有害試劑和產生大量副產物的問題。以合成藥物中間體為例，利用電化學流動池技術，在溫和的反應條件下，通過新型結構與材料的協同作用，能夠高效、高選擇性地合成目標產物，提高合成效率和產品純度，降低生產成本，同時減少對環境的污染，符合綠色化學的發展理念。

7.3 面臨的挑戰

      盡管電化學流動池技術在新型結構與材料協同方面取得了顯著進展，但仍面臨諸多挑戰。在材料方面，新型材料的制備工藝往往較為復雜且成本高昂，限制了其大規模應用。例如，一些具有特殊結構的納米材料和高性能復合載體材料的合成需要精密的儀器設備和復雜的化學反應過程，導致材料成本居高不下。而且部分新型材料在長期的電化學反應過程中，其結構和性能的穩定性仍有待提高，容易出現催化劑失活、載體腐蝕等問題。在結構設計方面，雖然新型流動池結構展現出諸多優勢，但實際規模化應用時，面臨工程放大的難題。例如，如何在擴大流動池尺寸的同時保持其內部流體分布的均勻性和反應性能的一致性，以及如何解決大規模裝置中結構復雜性帶來的制造、維護成本增加等問題。此外，目前對于新型結構與材料協同效應的深入理解還存在不足，需要進一步加強基礎研究，建立更加完善的理論模型，以指導實際應用中的優化設計。

八、結論

      電化學流動池技術中新型結構與材料的協同效應為提升其性能帶來了顯著突破。新型結構如薄層流動池、微流控流動池和 GDE 型流動池，分別通過設計改善了傳質效率、實現了反應過程的精確控制以及提高了反應物利用效率和抑制副反應。新型材料包括具有特殊結構的納米材料和復合載體材料，在提供豐富活性位點、調節催化劑電子結構以及增強電極穩定性等方面發揮了重要作用。二者的協同作用從提高傳質效率、改善局部反應環境到降低能耗等多方面優化了流動池性能，原位表征技術則為深入理解這種協同機制提供了關鍵手段。在應用方面，該技術在能源和化工合成等領域展現出廣闊前景，但同時也面臨材料成本、穩定性以及工程放大等挑戰。未來，需要進一步加強材料制備工藝的優化、深入研究結構與材料的協同機制，并攻克工程應用中的難題，以推動電化學流動池技術從實驗室研究邁向大規模實際應用，為實現高效、綠色、可持續的化學過程和能源轉化利用提供有力支撐 。

產品展示

       SSC-SOFCSOEC80系列高溫平板電池夾具，適用于固體氧化物電池測試SOFC和電熱催化系統評價SOEC。其采用氧化鋁陶瓷作為基本材料，避免了不銹鋼夾具在高溫下的Cr 揮發，因此可以排除Cr揮發對于陰極性能的影響；采用鉑金網作為電流收集材料，不需要設置筋條結構，因此可以認為氣體的流動、擴散基本沒有“死區”，可以盡可能地釋放出電池的性能；夾具的流場也可以根據需要調整為對流或順流，可以考察流動方式的影響。對于電池的壽命可以更加準確地進行測試和判斷，特別是電池供應商，表征產品在理想情況(即排除不合理流場干擾等)下的性能，所以多采用此類夾具。

       產品優勢：

1、 SOFC 平板型評價夾具可對應 20*20mm，30*30mm，耐溫900℃。

2、全陶瓷制可避免金屬內不良元素的影響,適合耐久性實驗。

3、高溫彈簧構造排除了構成材料內熱應力的影響。

4、可定制客戶要求的尺寸。

5、氣體密閉采用了高溫彈簧壓縮電池的方法，

6、更換及電爐里的裝配電流端子，電壓端子，熱電偶端子，輸氣和排氣口，氣體流量Max 2L/min；

7、鉑金集流體和鉑金電壓、電流線。