隨著全球對碳中和目標的緊迫追求，電催化二氧化碳（CO?）轉化技術作為實現碳循環閉合的關鍵路徑，正受到廣泛關注。流動池技術作為電催化 CO?轉化的核心裝備，因其在傳質效率、產物選擇性和電流密度等方面的顯著優勢，成為推動該技術從實驗室走向規模化應用的重要突破口。本文系統綜述了流動池技術在電催化 CO?轉化領域的前沿進展，深入分析了其在規模化應用中面臨的挑戰與機遇，并對未來發展方向進行了展望，旨在為該領域的科研人員和產業從業者提供全面的技術參考和戰略思考。

一、引言

       在全球氣候變化的嚴峻挑戰下，減少溫室氣體排放、實現碳中和已成為國際社會的廣泛共識。CO?作為最主要的溫室氣體，其過量排放導致全球氣溫上升、氣候事件頻發等一系列環境問題。為應對這一危機，開發高效的 CO?轉化與利用技術迫在眉睫。

      電催化 CO?轉化技術利用電能將 CO?還原為有價值的化學品和燃料，如一氧化碳（CO）、甲酸（HCOOH）、甲烷（CH?）、乙烯（C?H?）和乙醇（C?H?OH）等。該技術不僅能夠實現 CO?的資源化利用，減少其在大氣中的累積，還能將間歇性的可再生能源（如太陽能、風能）以化學能的形式儲存起來，為構建可持續的能源體系提供了新的途徑。

      流動池技術作為電催化 CO?轉化的關鍵平臺，通過引入電解液的流動，有效改善了反應體系的傳質效率，提高了 CO?的溶解度和擴散速率，從而顯著提升了電催化反應的性能。與傳統的靜態電解池相比，流動池能夠在更高的電流密度下運行，實現更高效的 CO?轉化，為大規模工業化應用奠定了基礎。

二、電催化 CO?轉化反應基礎

2.1 CO?的活化與還原機理

      CO?是一種熱力學穩定的分子，其 C=O 鍵能高達 750 kJ/mol，因此需要克服較高的能壘才能實現活化與還原。在電催化過程中，電子通過電極傳遞給 CO?分子，使其發生還原反應。反應機理較為復雜，涉及多個電子轉移步驟和中間體的形成。常見的反應路徑包括 CO?直接還原為 CO、甲酸根離子（HCOO?），以及通過 C-C 偶聯反應生成多碳產物（如 C?H?、C?H?OH 等）。不同的反應路徑取決于催化劑的種類、結構以及反應條件（如電解液組成、電極電位等）。

      以 CO?還原為 CO 為例，其反應機理通常被認為是 CO?首先在催化劑表面吸附，得到一個電子形成 CO???自由基中間體，隨后進一步加氫生成 CO 和 OH?。而對于多碳產物的生成，關鍵在于 C-C 偶聯步驟，需要精確控制反應中間體的吸附與反應活性，以促進 C-C 鍵的形成。

2.2 催化劑的作用與分類

      催化劑在電催化 CO?轉化反應中起著至關重要的作用，它能夠降低反應的活化能，提高反應速率和產物選擇性。目前，用于電催化 CO?還原的催化劑種類繁多，主要可分為貴金屬催化劑、過渡金屬催化劑、合金催化劑、金屬氧化物催化劑以及非金屬催化劑等幾類。

      貴金屬催化劑（如 Au、Ag、Pd 等）具有較高的催化活性和選擇性，能夠在較低的過電位下實現 CO?的高效還原，但其高昂的成本限制了大規模應用。過渡金屬催化劑（如 Cu、Fe、Ni 等）價格相對低廉，其中 Cu 是目前能夠高效催化 CO?轉化為多碳產物的金屬，但存在選擇性和穩定性有待提高的問題。合金催化劑通過將兩種或多種金屬元素組合，能夠調節催化劑的電子結構和表面性質，從而改善催化性能。例如，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。

      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，但通常需要較高的過電位。非金屬催化劑（如碳基材料、有機分子催化劑等）由于其電子結構和化學性質，也在電催化 CO?轉化領域展現出一定的應用前景，且具有成本低、環境友好等優點。

三、流動池技術的優勢與原理

3.1 傳質效率的提升

      在電催化 CO?轉化反應中，傳質過程是影響反應速率和效率的重要因素。傳統的靜態電解池中，CO?在電解液中的溶解度較低，擴散速率較慢，容易在電極表面形成濃度梯度，導致反應活性位點的利用率降低。而流動池技術通過強制電解液流動，能夠有效打破這種濃度梯度，使 CO?能夠快速傳輸到電極表面，提高反應底物的濃度，從而顯著提升傳質效率。

      研究表明，在流動池體系中，CO?的傳質速率可比靜態電解池提高數倍甚至數十倍。這不僅能夠加快電催化反應的速率，還能在更高的電流密度下維持反應的穩定性，為實現高效的 CO?轉化提供了有力保障。

3.2 改善局部反應環境

      除了提升傳質效率外，流動池技術還能夠改善局部反應環境。電解液的流動可以及時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，流動的電解液能夠更好地維持電極表面的 pH 值穩定，有利于反應的進行。

      例如，在 CO?還原為甲酸的反應中，反應過程會產生 OH?離子，導致電極表面 pH 值升高。在靜態電解池中，這種 pH 值的變化可能會影響催化劑的活性和產物選擇性。而在流動池體系中，流動的電解液能夠迅速將產生的 OH?離子帶走，保持電極表面 pH 值的相對穩定，從而提高甲酸的產率和選擇性。

3.3 提高電流密度與反應效率

      由于傳質效率的提升和局部反應環境的改善，流動池技術能夠實現更高的電流密度。電流密度是衡量電催化反應效率的重要指標，較高的電流密度意味著單位時間內有更多的電荷通過電極，從而能夠在更短的時間內實現更多的 CO?轉化。

      在實際應用中，高電流密度不僅能夠提高生產效率，還能降低設備成本和運行能耗。目前，一些先進的流動池體系已經能夠在安培級電流密度下實現高效的 CO?轉化，為工業化應用提供了可行性。例如，中國能建廣東院牽頭研發的 100 噸 / 年 CO?電催化制取合成氣示范裝置，其 CO?還原電堆技術達到高水平，在高電流密度下實現了穩定高效的運行，為 CO?電催化制合成氣技術的商業化應用邁出了重要一步。

四、流動池技術的前沿進展

4.1 新型流動池結構設計

     為進一步提升流動池的性能，科研人員在結構設計方面進行了大量創新。近年來，出現了多種新型的流動池結構，如薄層流動池、微流控流動池、氣體擴散電極（GDE）型流動池 等。

      薄層流動池通過減小電解液層的厚度，縮短了 CO?和產物的擴散路徑，從而顯著提高了傳質效率。同時，薄層結構還能夠降低溶液電阻，減少能量損耗。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，能夠在微觀尺度上研究電催化反應機理，并優化反應條件。

      GDE 型流動池由于其特別氣體擴散層設計，能夠使 CO?氣體直接與催化劑表面接觸，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。此外，GDE 型流動池還能夠有效抑制析氫反應等副反應的發生，提高產物的選擇性。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，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 高性能電極材料的開發

      電極材料是流動池技術的核心組成部分，其性能直接影響電催化 CO?轉化的效率和選擇性。近年來，隨著材料科學的不斷發展，一系列高性能的電極材料被開發出來。

      在催化劑方面，除了對傳統催化劑進行優化改性外，還涌現出許多新型催化劑體系。例如，通過設計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，能夠增加催化劑的比表面積和活性位點，提高催化性能。安徽師范大學熊宇杰副校長和化學與材料科學學院吳正翠教授、盛天副教授合作設計的 V 摻雜 Cu?Se 分級納米管，在流動池中?0.8 V 的電位下產生乙醇的法拉第效率為 68.3%，偏電流密度達到?207.9 mA cm?2，展現出優異的電催化 CO?還原性能。

       此外，將催化劑與載體材料進行復合也是提高電極性能的重要手段。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，通過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整體性能。

4.3 原位表征技術的應用

     為深入理解電催化 CO?轉化反應機理，實時監測反應過程中的動態變化，原位表征技術在流動池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了關鍵信息。

      常見的原位表征技術包括原位光譜技術（如原位紅外光譜、原位拉曼光譜等）、原位 X 射線技術（如原位 X 射線吸收光譜、原位 X 射線衍射等）以及電化學石英晶體微天平等。例如，通過原位紅外光譜可以實時監測 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；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。

      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。

五、規模化潛力分析

5.1 與可再生能源的耦合前景

      電催化 CO?轉化技術的規模化應用離不開可持續能源的支持。流動池技術能夠與多種可再生能源（如太陽能、風能、水能等）實現有效耦合，形成 “可再生能源 - 電催化 CO? 轉化 - 化學品 / 燃料生產” 的綠色能源循環體系。

      以太陽能為例，通過光伏發電將太陽能轉化為電能，再將電能輸入流動池系統用于 CO?的電催化還原，最終生成有價值的化學品或燃料。這種耦合方式不僅能夠實現 CO?的減排和資源化利用，還能將太陽能以化學能的形式儲存起來，解決了太陽能間歇性和不穩定性的問題，提高了能源的利用效率和穩定性。

      同樣，風能和水能發電也可以與流動池技術相結合，為大規模電催化 CO?轉化提供充足的電力供應。隨著可再生能源技術的不斷發展和成本的降低，其與流動池技術的耦合將具有廣闊的應用前景，有望成為未來實現碳中和目標的重要技術路徑之一。

5.2 成本效益分析與經濟可行性

      實現電催化 CO?轉化流動池技術的規模化應用，成本效益是關鍵因素之一。目前，該技術的成本主要包括設備投資成本、電極材料成本、能耗成本以及 CO?捕集成本等。

      在設備投資方面，隨著技術的不斷成熟和規模化生產的推進，流動池設備的成本有望逐漸降低。同時，通過優化流動池結構設計和提高設備性能，能夠提高單位設備的 CO?轉化效率，進一步降低單位產品的設備成本。

      電極材料成本是影響總成本的重要因素之一。開發低成本、高性能的電極材料是降低成本的關鍵。如前文所述，通過研發新型的非貴金屬催化劑、優化催化劑制備工藝以及采用高效的載體材料等手段，可以有效降低電極材料成本。此外，提高催化劑的穩定性和使用壽命，減少催化劑的更換頻率，也能降低長期運行成本。

      能耗成本與電流密度、電解電壓等因素密切相關。流動池技術由于能夠實現高電流密度運行，在一定程度上降低了單位產品的能耗。同時，通過優化反應條件和電極材料，降低電解電壓，進一步減少能耗成本。

      CO?捕集成本也是需要考慮的因素之一。目前，CO?捕集技術已經取得了一定進展，成本逐漸降低。隨著技術的不斷進步，將 CO?捕集與電催化轉化過程進行一體化設計，有望進一步降低整體成本。

      綜合來看，雖然目前電催化 CO?轉化流動池技術的成本仍然較高，但隨著技術的不斷進步和規模化應用的推廣，成本有望顯著降低，從而實現經濟可行性。例如，中國能建廣東院牽頭研發的 100 噸 / 年 CO?電催化制取合成氣示范裝置的成功運行，為評估該技術的成本效益和經濟可行性提供了重要參考，為后續的商業化推廣奠定了基礎。

5.3 規模化應用案例與示范項目

      近年來，為推動電催化 CO?轉化流動池技術的規模化應用，國內外開展了一系列示范項目。這些項目不僅驗證了技術的可行性，還為大規模工業化應用積累了寶貴經驗。

      除了前文提到的中國能建廣東院牽頭的 100 噸 / 年 CO?電催化制取合成氣示范裝置外，還有一些其他的典型案例。例如，德國的 Sunfire 公司建設了一座電催化 CO?轉化示范工廠，利用可再生能源產生的電能將 CO?和水轉化為合成氣，再進一步合成甲醇等燃料。該項目展示了電催化 CO?轉化技術在實際工業生產中的應用潛力。

      此外，美國的一些科研機構和企業也在積極開展相關示范項目，探索不同的技術路線和應用場景。這些示范項目的成功實施，為電催化 CO?轉化流動池技術的規模化推廣提供了有力支撐，有助于吸引更多的投資和資源，加速技術的產業化進程。

六、挑戰與展望

6.1 當前面臨的技術挑戰

      盡管流動池技術在電催化 CO?轉化領域取得了顯著進展，但在實現大規模工業化應用之前，仍面臨諸多技術挑戰。

      首先，催化劑的性能仍需進一步提高。雖然目前已經開發出了一些具有較高活性和選擇性的催化劑，但在長期穩定性、抗中毒能力以及對復雜反應體系的適應性等方面還存在不足。例如，在實際工業應用中，原料氣中的雜質可能會導致催化劑中毒失活，影響反應的長期穩定運行。因此，開發具有高穩定性和抗中毒能力的催化劑是未來研究的重點方向之一。

      其次，流動池的設計和優化仍有提升空間。盡管新型流動池結構不斷涌現，但在實現高效傳質、降低能耗、提高設備緊湊性以及優化成本等方面還需要進一步改進。例如，如何在提高電解液流速以增強傳質效率的同時，避免過高的流速導致電極表面的催化劑沖刷流失，是流動池設計中需要解決的一個關鍵問題。

      此外，反應機理的深入理解仍然不足。雖然原位表征技術為研究反應機理提供了重要手段，但目前對于電催化 CO?轉化過程中一些復雜的反應步驟和中間體的認識還不夠清晰。這限制了催化劑和反應體系的理性設計與優化，需要進一步加強理論計算與實驗研究的結合，深入揭示反應機理。

6.2 未來發展方向與研究重點

      針對當前面臨的技術挑戰，未來電催化 CO?轉化流動池技術的發展方向和研究重點主要包括以下幾個方面。

      一是開發新型催化劑體系。通過材料科學與計算化學的交叉融合，設計和合成具有特別結構和電子性質的新型催化劑，如單原子催化劑、金屬有機框架（MOF）衍生催化劑、二維材料基催化劑等，以提高催化劑的活性、選擇性和穩定性。同時，深入研究催化劑的構效關系，為催化劑的理性設計提供理論指導。

      二是優化流動池結構與系統集成。進一步探索新型流動池結構，如采用 3D 打印等先進制造技術制備具有復雜流道和微觀結構的流動池，以實現更高效的傳質和反應控制。此外，加強流動池與 CO?捕集、產物分離等單元操作的系統集成研究，構建完整的電催化 CO?轉化工藝流程，提高整體效率和經濟性。

      三是深化反應機理研究。綜合運用原位表征技術、理論計算和動力學分析等手段，深入研究電催化 CO?轉化反應機理，特別是 C-C 偶聯等關鍵步驟的反應機制。通過對反應機理的深入理解，為催化劑和反應條件的優化提供更堅實的理論基礎，實現對反應路徑和產物選擇性的精準調控。

      四是推動技術標準化與產業化。隨著技術的不斷發展，建立統一的技術標準和規范對于促進電催化 CO?轉化流動池技術的產業化至關重要。同時，加強產學研合作，加速技術成果的轉化和商業化應用，通過規模化生產降低成本，提高技術的市場競爭力。

6.3 對碳中和目標實現的重要意義

      電催化 CO?轉化流動池技術作為一種潛力的 CO?資源化利用技術，對于實現碳中和目標具有重要意義。通過將 CO?轉化為有價值的化學品和燃料，該技術不僅能夠有效減少 CO?在大氣中的排放，還能為能源和化工行業提供可持續的原料和能源來源，推動產業的綠色轉型。

        在全球積極應對氣候變化的背景下，電催化 CO?轉化流動池技術的發展和應用將有助于構建可持續的碳循環體系，為實現碳中和目標提供重要的技術支撐。隨著技術的不斷進步和規模化應用的推進，相信該技術將在未來的能源和環境領域發揮越來越重要的作用，為人類創造更加美好的綠色未來。

產品展示

SSC-PECRS電催化連續流反應系統主要用于電催化反應和光電催化劑的性能評價，可以實現連續流和循環連續流實驗，配置反應液體控溫系統，實現主要用于光電催化CO2還原反應全自動在線檢測系統分析，光電催化、N2催化還原，電催化分析、燃料電池、電解水等。

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