在化學(xué)合成領(lǐng)域，傳統(tǒng)批次反應(yīng)常面臨傳質(zhì)傳熱效率低、反應(yīng)條件難精準(zhǔn)控制、安全風(fēng)險高等痛點，尤其在電合成中，電極表面電子轉(zhuǎn)移效率、電解液濃度分布均勻性等問題進(jìn)一步制約合成性能。而微反應(yīng)器技術(shù)憑借其微通道（特征尺寸通常為 10-1000μm）帶來的高比表面積（比傳統(tǒng)反應(yīng)釜高 1-3 個數(shù)量級）、高效傳質(zhì)傳熱能力，與電化學(xué)合成的 “電子驅(qū)動反應(yīng)" 特性形成天然適配。二者融合構(gòu)建的連續(xù)流電合成系統(tǒng)，正以 “高效、精準(zhǔn)、安全" 的核心優(yōu)勢，重塑電合成技術(shù)的應(yīng)用邊界，成為綠色化學(xué)與精細(xì)化工領(lǐng)域的重要突破方向。

一、融合的核心邏輯：微反應(yīng)器如何破解電合成的傳統(tǒng)痛點

      電化學(xué)合成的本質(zhì)是利用電極表面的電子轉(zhuǎn)移驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，其核心需求是高效的界面?zhèn)髻|(zhì)（反應(yīng)物到電極表面、產(chǎn)物脫離電極）、均勻的電場分布（避免局部過電位）、穩(wěn)定的反應(yīng)環(huán)境（溫度、濃度恒定） ，而傳統(tǒng)批次電反應(yīng)釜（如燒杯型電解池）恰恰在這些方面存在顯著短板：反應(yīng)體系內(nèi)對流不充分導(dǎo)致電極附近形成 “濃度邊界層"，傳質(zhì)效率低；電極間距大且電解液混合不均，電場易局部集中引發(fā)副反應(yīng)；批次操作中溫度、濃度隨反應(yīng)進(jìn)程變化，產(chǎn)物純度波動大，且大體積電解液與高電壓組合存在泄漏、爆燃等安全風(fēng)險。

       微反應(yīng)器技術(shù)的引入，從結(jié)構(gòu)設(shè)計層面直接針對性解決這些痛點，其與電化學(xué)的融合邏輯可概括為三點：

1.微通道強(qiáng)化傳質(zhì)，提升電子轉(zhuǎn)移效率：微通道的狹小空間迫使電解液以層流或強(qiáng)化湍流狀態(tài)流動，極大縮短反應(yīng)物到電極表面的擴(kuò)散距離（從傳統(tǒng)釜的毫米級降至微米級），傳質(zhì)系數(shù)可提升 10-100 倍。同時，微反應(yīng)器可將電極直接集成于微通道內(nèi)壁（如將金屬薄膜沉積在玻璃或硅基微通道表面），形成 “電極 - 通道一體化" 結(jié)構(gòu)，反應(yīng)物無需長距離擴(kuò)散即可接觸電極，顯著降低濃度極化，使電子轉(zhuǎn)移效率提升 30% 以上。

2.精準(zhǔn)控溫與電場，抑制副反應(yīng)：微通道的高比表面積（可達(dá) 1000 m2/m3）使其具備強(qiáng)的傳熱能力，可通過外接恒溫裝置實現(xiàn)反應(yīng)溫度 ±0.5℃的精準(zhǔn)控制，避免傳統(tǒng)批次反應(yīng)中因反應(yīng)放熱導(dǎo)致的局部升溫（易引發(fā)電解液分解、產(chǎn)物聚合等副反應(yīng)）。此外，微反應(yīng)器內(nèi)電極間距可精準(zhǔn)控制在幾十到幾百微米，電場分布均勻性大幅提升，有效避免局部過電位過高導(dǎo)致的析氫 / 析氧副反應(yīng)，目標(biāo)產(chǎn)物選擇性可提高 20%-50%。

3.連續(xù)流與微體積，降低安全風(fēng)險：傳統(tǒng)批次電合成需處理大體積電解液（通常為升級），且反應(yīng)過程中積累的產(chǎn)物可能與電極或電解液發(fā)生二次反應(yīng)，安全隱患突出；而連續(xù)流微電反應(yīng)器的反應(yīng)體積僅為微升或毫升級，電解液在通道內(nèi)的停留時間可精準(zhǔn)控制（幾秒到幾十分鐘），反應(yīng)完成后產(chǎn)物可即時流出并分離，避免反應(yīng)物 / 產(chǎn)物積累。同時，微通道的封閉性可有效隔絕空氣與電解液的接觸，減少氧化副反應(yīng)，且即使發(fā)生泄漏，微量電解液也不會引發(fā)大規(guī)模安全事故，安全性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)批次工藝。

二、融合的關(guān)鍵技術(shù)：從結(jié)構(gòu)設(shè)計到系統(tǒng)集成

      微反應(yīng)器與電化學(xué)的融合并非簡單的 “電極 + 微通道" 組合，而是需要從電極材料選擇、微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計、電解液適配、系統(tǒng)自動化控制四個維度進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，才能實現(xiàn) “高效、精準(zhǔn)、安全" 的連續(xù)流電合成。

（1）電極材料：兼顧導(dǎo)電性、催化活性與穩(wěn)定性

電極是電合成的核心部件，其性能直接決定電子轉(zhuǎn)移效率與反應(yīng)選擇性。在微反應(yīng)器中，電極需滿足 “薄型化、高比表面積、與微通道兼容" 的要求，目前主流選擇包括三類：

1.金屬基電極：如金、鉑、銅、鎳等金屬薄膜（厚度 100-500nm），通過濺射、蒸鍍等技術(shù)沉積在玻璃、硅或聚合物（如聚二甲基硅氧烷 PDMS）微通道內(nèi)壁，導(dǎo)電性優(yōu)異，且金屬本身對特定反應(yīng)具有催化活性（如銅電極催化二氧化碳還原生成乙烯，鎳電極催化醇氧化生成醛酮）；

2.碳基電極：如石墨烯、碳納米管、玻碳等，通過涂覆或生長方式固定于微通道內(nèi)，具有高比表面積（石墨烯比表面積可達(dá) 2630 m2/g）、良好的化學(xué)穩(wěn)定性（耐酸堿），且可通過摻雜（如氮摻雜石墨烯）調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，提升催化選擇性；

3.復(fù)合電極：將催化活性組分（如金屬納米顆粒、金屬有機(jī)框架 MOFs）負(fù)載于碳基或金屬基載體上，兼顧載體的高導(dǎo)電性與活性組分的高催化活性，例如將鈀納米顆粒負(fù)載于碳納米管電極上，可顯著提升硝基苯加氫還原為苯胺的反應(yīng)速率。

（2）微通道結(jié)構(gòu)：適配不同電合成需求

微通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計需根據(jù)反應(yīng)類型（如均相電合成、異相電合成、氣 - 液 - 固三相電合成）調(diào)整，核心目標(biāo)是 “電極 - 電解液接觸面積、優(yōu)化流體流動狀態(tài)"：

1.平板型微通道：最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，通常為上下兩片基板（如玻璃 + 硅），中間刻蝕矩形或梯形通道，電極沉積于通道上下內(nèi)壁，適用于均相電解液體系（如有機(jī)小分子的電氧化 / 還原），優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，且流體流動均勻，傳質(zhì)穩(wěn)定；

2.多孔 / 陣列型微通道：在通道內(nèi)引入多孔介質(zhì)（如多孔陶瓷、泡沫金屬）或微柱陣列，將電極負(fù)載于多孔介質(zhì)表面或微柱表面，可大幅提升比表面積（比平板型高 5-10 倍），適用于異相電合成（如固體催化劑輔助的電反應(yīng)）或氣 - 液兩相反應(yīng)（如氧氣參與的電氧化反應(yīng)，多孔結(jié)構(gòu)利于氣體擴(kuò)散）；

3.夾心型微通道：將離子交換膜（如質(zhì)子交換膜 Nafion、陰離子交換膜 FAA-3）夾在陽極與陰極之間，形成 “陽極 - 電解液 - 離子交換膜 - 電解液 - 陰極" 的三明治結(jié)構(gòu)，可有效分隔陰陽極反應(yīng)區(qū)，避免產(chǎn)物交叉污染（如電解水制氫中，質(zhì)子交換膜可阻止氧氣擴(kuò)散至陰極與氫氣混合），同時促進(jìn)離子遷移，降低歐姆極化。

（3）電解液適配：平衡導(dǎo)電性與傳質(zhì)效率

電解液在電合成中起到 “傳輸離子、溶解反應(yīng)物" 的作用，在微反應(yīng)器中，電解液的黏度、導(dǎo)電性、溶解度需與微通道結(jié)構(gòu)匹配：

1.導(dǎo)電性：微通道內(nèi)電極間距小（幾十微米），歐姆電阻主要來自電解液，因此需選擇高導(dǎo)電性電解液（如 0.1-1 mol/L 的無機(jī)鹽溶液、離子液體），避免因電解液電阻過大導(dǎo)致電壓升高、能耗增加；

2.黏度：黏度過高的電解液（如高濃度聚合物溶液）會導(dǎo)致流動阻力增大，傳質(zhì)效率下降，因此微反應(yīng)器中通常優(yōu)先選擇低黏度電解液（如 aqueous solution、低分子量有機(jī)溶劑）；

3.相容性：電解液需與電極材料、微通道基板材料兼容，避免發(fā)生腐蝕反應(yīng)，例如 PDMS 微通道可耐受大部分有機(jī)溶劑，但需避免與強(qiáng)氧化性電解液（如高錳酸鉀溶液）接觸。

（4）系統(tǒng)集成：實現(xiàn)連續(xù)化與自動化

微反應(yīng)器電合成系統(tǒng)需整合 “流體輸送、電化學(xué)調(diào)控、產(chǎn)物分離、在線監(jiān)測" 四大模塊，才能實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行：

1.流體輸送模塊：采用精密注射泵或蠕動泵，精準(zhǔn)控制電解液的流速（通常為 1-100 μL/min），確保反應(yīng)在恒定的停留時間下進(jìn)行；對于多組分反應(yīng)，可通過多通道泵實現(xiàn)反應(yīng)物的精準(zhǔn)配比與混合；

2.電化學(xué)調(diào)控模塊：配備恒電位儀或恒電流儀，可根據(jù)反應(yīng)需求選擇恒電位、恒電流或脈沖電位模式，實時調(diào)控電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率；同時集成溫度控制系統(tǒng)（如水浴夾套、帕爾貼元件），實現(xiàn)反應(yīng)溫度的精準(zhǔn)控制；

3.產(chǎn)物分離模塊：由于微反應(yīng)器的反應(yīng)體積小，產(chǎn)物濃度通常較低，需后續(xù)集成微萃取、微精餾或膜分離模塊，實現(xiàn)產(chǎn)物的快速分離純化；例如，在電合成苯甲醛的過程中，可通過微萃取通道將苯甲醛從水溶液中萃取至有機(jī)溶劑中，再通過微精餾柱提純；

4.在線監(jiān)測模塊：集成紫外 - 可見分光光度計、高效液相色譜（HPLC）或質(zhì)譜（MS）等在線分析設(shè)備，實時監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程中反應(yīng)物濃度、產(chǎn)物濃度的變化，通過反饋控制調(diào)節(jié)流速、電位等參數(shù)，實現(xiàn)反應(yīng)的閉環(huán)控制，進(jìn)一步提升合成的精準(zhǔn)性。

三、融合的應(yīng)用場景：從實驗室研究到工業(yè)放大

      微反應(yīng)器與電化學(xué)的融合，憑借其 “高效、精準(zhǔn)、安全" 的優(yōu)勢，已在精細(xì)化工、綠色能源、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，從實驗室小規(guī)模合成逐步向工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)邁進(jìn)。

（1）精細(xì)化工：精準(zhǔn)合成高附加值有機(jī)化合物

精細(xì)化工領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)物純度、選擇性要求高，傳統(tǒng)批次電合成常因副反應(yīng)多、分離難度大導(dǎo)致產(chǎn)品收率低，而連續(xù)流微電反應(yīng)器可有效解決這一問題：

不對稱電合成：通過在微通道電極表面修飾手性催化劑（如手性膦配體、手性氨基酸），可實現(xiàn)不對稱電氧化 / 還原反應(yīng)，例如在微反應(yīng)器中，以手性修飾的鉑電極為陰極，可將酮類化合物不對稱電還原為手性醇，產(chǎn)物對映體過量值（ee 值）可達(dá) 90% 以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)批次反應(yīng)的 70%；

藥物中間體合成：許多藥物中間體（如芳香胺、喹啉類化合物）的合成需通過電氧化或電還原反應(yīng)實現(xiàn)，微反應(yīng)器可顯著提升反應(yīng)效率與選擇性。例如，德國拜耳公司開發(fā)的微通道電合成系統(tǒng)。

電化學(xué)氟化：氟化有機(jī)化合物在醫(yī)藥、農(nóng)藥領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，但傳統(tǒng)電化學(xué)氟化反應(yīng)條件苛刻（需高溫、高電壓），副反應(yīng)多，而微反應(yīng)器可通過精準(zhǔn)控制氟離子濃度與電極電位，實現(xiàn)溫和條件下的選擇性氟化。例如，日本 Daikin 公司利用微通道電反應(yīng)器合成含氟芳香化合物，反應(yīng)溫度從傳統(tǒng)的 80℃降至 40℃，氟代產(chǎn)物選擇性從 75% 提升至 92%。

（2）綠色能源：高效制備清潔能源與儲能材料

在綠色能源領(lǐng)域，微反應(yīng)器電合成系統(tǒng)可用于高效制備氫氣、甲醇等清潔能源，以及鋰硫電池、鈉離子電池等儲能材料的電極制備：

電解水制氫：傳統(tǒng)電解水制氫裝置（如堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽）存在體積大、能耗高的問題，而微通道電解水系統(tǒng)通過 “電極 - 膜 - 通道" 一體化設(shè)計，可大幅降低歐姆電阻與傳質(zhì)阻力。例如，美國斯坦福大學(xué)開發(fā)的石墨烯基微通道電解水裝置，在 1.5 V 的低電壓下，氫氣生成速率可達(dá) 100 mmol/(cm2?h)，能耗僅為傳統(tǒng)電解槽的 60%；

二氧化碳電還原：將二氧化碳電還原為一氧化碳、乙烯、乙醇等燃料或化學(xué)品，是實現(xiàn) “碳中和" 的重要技術(shù)路徑。微反應(yīng)器可通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)（如多孔銅電極）與電解液組成（如離子液體 - 水溶液混合體系），提升二氧化碳的溶解度與還原選擇性。例如，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)的微通道二氧化碳電還原系統(tǒng)，乙烯選擇性可達(dá) 70%，電流密度高達(dá) 500 mA/cm2，且連續(xù)運(yùn)行 100 小時性能無衰減；

儲能材料制備：在鋰硫電池正極材料的制備中，可通過微反應(yīng)器電合成技術(shù)，將硫單質(zhì)均勻沉積在碳納米管電極表面，形成硫 - 碳復(fù)合正極材料，有效解決硫的導(dǎo)電性差、體積膨脹大的問題。例如，韓國三星公司利用微通道電沉積技術(shù)制備的鋰硫電池正極，硫負(fù)載量可達(dá) 5 mg/cm2，電池循環(huán) 1000 次后容量保持率仍達(dá) 80%。

（3）環(huán)境保護(hù)：高效處理難降解污染物

在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，微反應(yīng)器電合成系統(tǒng)可用于處理工業(yè)廢水中的難降解有機(jī)物（如酚類、染料、抗生素），通過電氧化或電還原反應(yīng)將污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)：

電催化氧化降解酚類廢水：傳統(tǒng)芬頓氧化法處理酚類廢水存在試劑消耗大、污泥產(chǎn)生多的問題，而微通道電氧化系統(tǒng)可通過陽極產(chǎn)生的羥基自由基（?OH）氧化酚類化合物。例如，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心開發(fā)的鈦基二氧化鉛（Ti/PbO?）微通道電極系統(tǒng)，處理含酚廢水時，酚的去除率可達(dá) 99%，COD 去除率可達(dá) 90%，且無污泥產(chǎn)生；

電還原降解硝基苯類廢水：硝基苯類化合物毒性大、難生物降解，通過微通道電還原可將其轉(zhuǎn)化為毒性較低的苯胺類化合物。例如，南京大學(xué)開發(fā)的碳納米管修飾微通道電極系統(tǒng)，在中性條件下，硝基苯的還原速率是傳統(tǒng)批次反應(yīng)的 5 倍，苯胺選擇性可達(dá) 98%；

重金屬離子去除：微反應(yīng)器電沉積技術(shù)可用于去除廢水中的重金屬離子（如銅、鎳、鉻離子），通過陰極電沉積將重金屬離子還原為金屬單質(zhì)，實現(xiàn)資源回收。例如，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)開發(fā)的微通道電沉積系統(tǒng)，處理含銅廢水時，銅離子去除率可達(dá) 99.9%，且沉積的銅薄膜純度高達(dá) 99.5%，可直接回收利用。

四、挑戰(zhàn)與展望：推動融合技術(shù)走向規(guī)模化應(yīng)用

      盡管微反應(yīng)器與電化學(xué)的融合已取得顯著進(jìn)展，但在材料成本、工業(yè)放大、長期穩(wěn)定性等方面仍面臨挑戰(zhàn)，需通過技術(shù)創(chuàng)新逐步突破：

      材料成本問題：目前微反應(yīng)器的基板材料（如硅、玻璃）與電極材料（如金、鉑）成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。未來可通過開發(fā)低成本聚合物基板（如聚丙烯、聚碳酸酯）、廉價金屬電極（如鐵、鋅基復(fù)合電極）或可回收電極材料，降低系統(tǒng)成本；

      工業(yè)放大難題：微反應(yīng)器的優(yōu)勢源于其微尺度效應(yīng)，如何在放大過程中保持微通道的傳質(zhì)傳熱效率與電場均勻性，是實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。目前主流的放大策略包括 “數(shù)量放大"（即并聯(lián)多個微通道模塊）與 “尺寸放大"（在保持比表面積不變的前提下增大通道尺寸），例如，瑞士 Syrris 公司開發(fā)的 FlowSyn 微反應(yīng)器系統(tǒng)，通過并聯(lián) 16 個微通道模塊，實現(xiàn)了公斤級的連續(xù)流電合成，為工業(yè)放大提供了可行路徑；

      長期穩(wěn)定性問題：在長期運(yùn)行過程中，電極表面易發(fā)生結(jié)垢（如產(chǎn)物沉積、催化劑失活）、微通道易發(fā)生堵塞（如固體產(chǎn)物析出），影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。未來可通過開發(fā)自清潔電極（如超疏水涂層電極）、優(yōu)化電解液組成（如添加防結(jié)垢劑）、設(shè)計易清洗的微通道結(jié)構(gòu)（如圓形通道、可拆洗模塊），提升系統(tǒng)的長期運(yùn)行穩(wěn)定性。

      展望未來，隨著材料科學(xué)、微加工技術(shù)、自動化控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，微反應(yīng)器與電化學(xué)的融合將朝著 “更高效率、更高選擇性、更低成本、更易放大" 的方向發(fā)展。一方面，通過多物理場耦合（如電場 - 磁場 - 溫度場協(xié)同）進(jìn)一步強(qiáng)化傳質(zhì)與催化效率；另一方面，結(jié)合人工智能技術(shù)，構(gòu)建基于機(jī)器學(xué)習(xí)的反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化模型，實現(xiàn)反應(yīng)過程的智能調(diào)控。可以預(yù)見，這一融合技術(shù)將在未來 5-10 年內(nèi)逐步實現(xiàn)從實驗室到工業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用，成為推動化學(xué)合成向 “綠色、高效、精準(zhǔn)" 轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)之一。

產(chǎn)品展示

      SSC-ECRS3000微通道連續(xù)流智能電合成系統(tǒng)（高壓5MPa），可以滿足多種電催化的高低壓力的實驗，可以實現(xiàn)雙室，氣氣、氣液、液液等多種配置的電催化實驗，可以匹配多種電化學(xué)池，實現(xiàn)不同壓力、溫度、流速、通道下的電化學(xué)實驗，可根據(jù)需求升級為工業(yè)化電合成系統(tǒng)。

      SSC-ECRS3000微通道連續(xù)流智能電合成系統(tǒng)（高壓5MPa），將氣路液路系統(tǒng)、電合成反應(yīng)池、在線監(jiān)測、壓力控制、溫度控制等，進(jìn)行智能化、微型化、模塊化設(shè)計，集成為一套智能電合成系統(tǒng)，通過兩路氣路和兩路液路的不同組合實現(xiàn)電合成催化，并采用在線檢測體系對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析。