精細化工產品的傳統合成過程存在反應步驟繁瑣、選擇性差、能耗高、污染嚴重等問題，而電催化連續流系統在該領域的應用，為解決這些問題提供了新途徑。本文詳細闡述了電催化連續流系統的工作原理，介紹了其在多種精細化學品合成中的應用，包括生物質轉化、藥物合成、有機小分子合成等。該系統通過精準控制反應參數，能夠提高反應選擇性，減少副反應，實現高效、綠色合成。同時，對該系統當前面臨的挑戰，如電極材料的穩定性、反應器的放大設計、與現有工業體系的兼容性等進行了分析，并對未來發展方向進行了展望。隨著技術的不斷突破，電催化連續流系統有望在精細化工領域實現大規模應用，推動行業向綠色、可持續方向轉型。

一、引言

      精細化工產品在醫藥、農藥、材料等眾多領域具有廣泛應用，是現代工業體系重要組成部分。然而，傳統精細化工合成工藝往往存在諸多弊端，例如反應步驟冗長，需要經過多步反應才能獲得目標產物，這不僅增加了生產過程的復雜性，還導致原料消耗量大、成本升高。同時，傳統工藝的選擇性欠佳，在反應過程中容易產生大量副產物，這不僅降低了目標產物的收率，還增加了產物分離和提純的難度，產生的大量廢棄物也給環境帶來了沉重負擔。此外，許多傳統工藝需要在高溫、高壓等苛刻條件下進行，能耗高，不符合當前綠色化學和可持續發展的理念。

      近年來，隨著人們對環境保護和可持續發展的關注度不斷提高，綠色化學合成技術成為研究熱點。電催化連續流系統作為一種新興的綠色合成技術，為精細化工領域帶來了新的發展機遇。電催化反應以電子作為清潔的反應試劑，避免了傳統化學氧化劑或還原劑的使用，從而減少了廢棄物的產生。連續流操作模式具有反應條件易于精確控制、傳質傳熱效率高、反應時間短等優點，能夠顯著提高反應的選擇性和效率，實現精細化學品的高效、綠色合成。因此，深入研究電催化連續流系統在精細化工中的應用具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。

二、電催化連續流系統概述

（1）工作原理

電催化連續流系統主要基于電化學反應原理，在電場的作用下，反應物在電極表面發生氧化還原反應。其核心組件包括電源、反應器、電極以及電解液等。電源為反應提供所需的電能，促使電子在電極之間轉移。反應器是反應發生的場所，通常設計為連續流模式，反應物以一定流速持續流入反應器內。電極分為陽極和陰極，陽極發生氧化反應，失去電子；陰極發生還原反應，得到電子。電解液則起到傳導離子的作用，維持反應體系的電荷平衡。

在電催化反應中，反應物分子吸附在電極表面，通過與電極之間的電子交換進行化學反應。例如，對于有機化合物的氧化反應，反應物在陽極表面失去電子，被氧化為目標產物或中間產物；而在陰極，通常發生還原反應，如質子還原生成氫氣等。與傳統間歇式電化學反應相比，連續流模式下反應物能夠持續不斷地進入反應器，與電極表面充分接觸，同時產物也能及時離開反應區域，避免了反應物和產物在反應器內的過度積累，從而有效減少了副反應的發生，提高了反應的選擇性和效率。

（2）系統構成與特點

1.系統構成

電催化連續流系統的構成較為復雜且精密，各部分協同工作以實現高效的電催化反應。除了前文提及的電源、反應器、電極和電解液外，還包括一系列用于控制和監測反應過程的輔助設備。例如，流量控制系統能夠精確調節反應物和電解液的流速，確保反應在設定的條件下穩定進行；溫度控制系統可對反應器內的溫度進行精準調控，因為溫度對電催化反應速率和選擇性具有重要影響；壓力控制系統則在一些需要特定壓力條件的反應中發揮作用，維持反應體系的壓力穩定。此外，還配備有檢測傳感器，用于實時監測反應過程中的電流、電壓、pH 值等參數，以便及時調整反應條件，保證反應的順利進行。

2.特點

• 高效傳質傳熱：連續流反應器的結構設計使得反應物和電解液在狹小的通道內高速流動，極大地增加了物質之間的接觸面積和碰撞頻率，從而實現高效的傳質過程。同時，由于反應物在通道內停留時間短，熱量能夠迅速傳遞出去，有效避免了局部過熱或過冷現象，實現高效的傳熱，有助于維持反應體系的溫度均勻性，提高反應的穩定性和一致性。

• 反應條件精準控制：通過先進的自動化控制系統，可以精確調節反應過程中的電流、電壓、流速、溫度、壓力等參數，且能夠根據反應的實時情況進行動態調整。這種精準控制能力使得反應能夠在最適宜的條件下進行，不僅提高了反應的選擇性，還能有效減少副反應的發生，確保目標產物的高收率。

• 連續化生產：反應物連續不斷地流入反應器，產物連續輸出，無需像間歇式反應那樣頻繁地進行加料、反應、卸料等操作，大大提高了生產效率，適合大規模工業化生產。同時，連續化生產模式使得生產過程更加穩定，產品質量更易于控制和保證。

• 安全性高：由于反應在連續流反應器內進行，反應物和產物的量相對較少，且反應條件易于控制，即使發生意外情況，如局部過熱引發的反應失控，也能迅速采取措施進行處理，將危害和損失降至低，降低了生產過程中的安全風險。

• 綠色環保：電催化反應以電子作為清潔的反應試劑，避免了傳統化學合成中大量化學試劑的使用，減少了廢棄物的產生。同時，連續流系統的高效性使得反應在較低的能耗下進行，符合綠色化學和可持續發展的理念。

三、在精細化工中的應用實例

（1）生物質轉化

 5 - 羥甲基糠醛（HMF）轉化為 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）

生物質是一種豐富的可再生資源，將其轉化為高附加值的精細化學品具有重要意義。5 - 羥甲基糠醛（HMF）作為一種重要的生物質平臺分子，可通過電催化連續流系統高效轉化為 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）。在傳統的間歇式反應中，HMF 轉化為 FDCA 的反應存在反應溫度壓力高、產品質量不穩定、易發生聚合等副反應等問題。而采用電催化連續流系統，能夠顯著改善這些狀況。

大連理工大學陶勝洋教授團隊通過構建異質結電催化劑、富氧缺陷電催化劑，并結合數字設計加工的連續流動電化學反應器進行該轉化反應。在該系統中，連續流反應器加快了本體溶液到電極表面的傳質速率，增大了電極表面積的利用效率，削弱了反應中的擴散效應，減小體系濃差極化。例如，所構建的 CoOOH 納米片中的（100）晶面與 CoP 中的（211）晶面相互生長構成的異質結催化劑 CoP-CoOOH，表現出較小的 HMF 氧化起始電壓和析氫反應電壓。這得益于在異質界面處空穴在 CoOOH 一側積累有利于氧化反應的發生，而電子在 CoP 一側積累有利于還原反應的進行。實驗結果表明，在連續流反應器中 HMF 轉化率、產物選擇性和法拉第效率分別可達到 99.9%、99.4% 和 98.2%。此外，經過 10 次連續循環氧化 HMF 后，組裝的連續流反應器仍然表現出較好的氧化活性，證實了該反應器具有良好的催化反應穩定性。

葡萄糖轉化為二甲酸鉀和甲酸鹽

含有醛基的生物質平臺分子如葡萄糖在堿性環境中化學性質不穩定，在高濃度下極易發生非法拉第反應，這嚴重限制了電催化生物質轉化工藝的放大。清華段昊泓團隊設計了一種單程連續流反應（SPCFR）系統來解決這一問題。該系統具有電極面積 / 電解液體積比（A/V）高、反應底物在反應器中停留時間短、反應底物和堿性電解質獨立進料等特點。

在堿性條件下葡萄糖的電氧化反應中，使用單模塊的 SPCFR 系統進行測試，在絕對電流為 3 A 的條件下，獲得了高單程轉化率（SPCE，80.2%）、高甲酸鹽選擇性（83.8%）和高法拉第效率（89.6%），遠超間歇式反應器的性能（甲酸選擇性 30.4%）。進一步將反應器從單模塊擴展到 9 個堆疊模塊，建立了一個幾何電極面積 270 cm2 的堆疊 SPCFR 系統，并優化反應條件，實現了葡萄糖電氧化制備甲酸鹽的高產率（256.6 mmol h?1）。以 600 mM 的 HMF 為原料，在堆疊 SPCFR 系統中，取得了 SPCE>95%、連續生產高濃度的 FDCA（530 - 560 mM）的實際效果，反應穩定性 > 50 h，并最終分離得到 1.17 kg 的 FDCA。通過該系統，成功抑制了生物質平臺化合物在堿性電解液中的非法拉第副反應，實現了高濃度重要化學品（二甲酸鉀和 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA））的連續化和公斤級制備。

（2）藥物合成

氧化型不對稱催化反應

在藥物合成領域，催化不對稱合成對于獲得具有特定手性結構的藥物分子至關重要。然而，氧化型催化不對稱轉化由于確定合適的化學氧化劑并解決它們與催化劑和官能團的相容性問題存在重大挑戰，研究相對較少。有機電化學使用無痕的電子促進氧化還原反應，為解決這一問題提供了新途徑。

廈門大學徐海超教授課題組將連續流電化學微反應器技術平臺應用于實現氧化型不對稱催化反應。該平臺對各種氧化不對稱催化轉化具有廣泛的應用性，通過 1,3 - 二羰基化合物的巰基化、脫氫 C–C 偶聯和脫氫烯烴成環過程得到了充分證明。連續流電化學微反應器性質不僅消除了對化學氧化劑的需求，而且還提高了反應效率，減少了添加劑和電解質的使用。微流體電化學的這些顯著特點加快了氧化不對稱轉化的發現和發展。此外，由并行的反應器促進的連續生產確保了反應的直接放大，消除了在不同規模上重新優化的必要性，通過從毫克級篩選到百克級不對稱合成的直接轉化得以證明，為藥物合成中復雜手性分子的高效制備提供了新方法。

電催化合成含氮雜環藥物中間體

含氮雜環結構廣泛存在于各種藥物分子中，是重要的藥物中間體。傳統合成方法往往需要使用大量有毒有害的試劑，且反應步驟復雜。利用電催化連續流系統可以實現含氮雜環藥物中間體的綠色合成。例如，在特定的電催化連續流反應器中，以合適的電極材料和電解液體系，通過精確控制反應電位、電流和流速等參數，能夠使含有氮源和碳源的反應物在溫和條件下發生環化反應，生成目標含氮雜環化合物。與傳統方法相比，該方法避免了使用強氧化劑或還原劑，減少了副反應的發生，提高了產物的純度和收率。同時，連續流操作模式使得生產過程更加高效、穩定，有利于大規模制備含氮雜環藥物中間體，為相關藥物的研發和生產提供了有力支持。

（3）有機小分子合成

電催化合成環己酮肟

環己酮肟是合成纖維與塑料的單體原料，具有重要的經濟價值。工業上環己酮肟合成一般采用環己酮 - 羥胺路線，但該工藝路線存在爆炸的安全隱患。山西大學精細化學品教育部工程研究中心綠色與仿生催化研究團隊利用電催化過程，以水為氫源，利用再生電能驅動氮氧化物還原，原位得到的羥胺物種與環己酮發生偶聯生成環己酮肟，提高了反應的安全性，還能利用可再生能源驅動化學反應。

然而，電催化過程存在羥胺中間體與環己酮接觸困難、反應效率低等問題。針對這些問題，研究團隊設計了 Pickering 乳滴一體化電極。Pickering 乳滴界面具有油 - 水界面微環境，存在著結構有序的水分子與非飽和氫鍵，這種微環境誘導環己酮分子在電催化劑表面上發生傾斜式吸附，促進羥胺物種與環己酮之間偶聯，提升環己酮肟選擇性和反應效率。在此基礎上，研究團隊通過導電聚合物將乳滴與電極進行化學交聯，構建了乳滴間電荷傳輸通道，加速電荷轉移，在接近工業級電流密度下實現了高效環己酮肟連續流動電催化合成。

電催化合成氨

氨是生產化肥、重要化工原料，也是具潛力的氫能載體。目前工業中氨合成主要采用 Haber - Bosch 工藝，該工藝需高溫、高壓條件，且原料氫氣多來自蒸汽重整，能耗高、污染嚴重。電催化氮還原合成氨工藝（ENRR）采用電力驅動、原料易得、綠色環保、操作靈活，是具潛力的新興氨合成工藝。

有研究基于微流控技術搭建了一套連續流微反應平臺來實現電催化合成氨。該平臺采用微三通進行水溶性原料間的快速混合，通過耦合納米晶析出過程、PVP 膠體自組裝過程以及惰性氛圍（Ar）碳熱還原反應，成功實現了具有極小尺寸銥納米點的碳復合材料（Ir/C）的高效、穩定、連續化合成。得益于微反應器高效傳質、傳熱、停留時間可控等優勢，所合成的 Ir/C 材料上銥納米點具有極小尺寸和高單分散性，顯著提高了催化活性和貴金屬的利用率。在酸性環境中（pH = 2），實現的最高氨收率為 11.21 μg h?1 cm?2（ - 0.4 V vs. RHE），法拉第效率為 24.30%（ - 0.1 V vs. RHE）；在堿性環境中（pH = 14）,氨收率為 27.95 μg h?1 cm?2（ - 0.2 V vs. RHE），法拉第效率為 9.14%（ - 0.1 V vs. RHE），為氨的綠色合成提供了新途徑。

四、面臨的挑戰

（1）電極材料

穩定性問題

在電催化連續流系統中，電極材料長期處于復雜的電化學環境中，面臨著嚴峻的穩定性考驗。例如，在一些涉及強氧化或強還原條件的反應中，電極表面容易發生腐蝕、溶解或結構變化等現象，導致電極活性逐漸降低，使用壽命縮短。以用于電催化氧化反應的陽極材料為例，在高電位下，電極表面的金屬原子可能會失去電子被氧化成離子而溶解到電解液中，從而破壞電極的結構完整性。此外，電極表面在反應過程中還可能會吸附一些中間產物或雜質，這些物質可能會阻礙反應物與電極表面的有效接觸，進一步降低電極的催化活性。如在電催化合成氨的反應中，電極表面可能會吸附反應產生的含氮或含氫的中間物種，若不能及時脫附，會占據活性位點，抑制反應的進行。

活性與選擇性的平衡

電極材料的活性和選擇性是相互關聯又相互制約的兩個重要性能指標。一方面，為了提高反應速率，需要電極材料具有較高的活性，能夠有效降低反應的活化能，促進反應物的轉化。然而，在實際反應中，提高活性往往可能導致選擇性下降，即容易引發一些不必要的副反應。例如，在生物質電催化轉化反應中，當電極材料的活性過高時，可能會使目標產物進一步過度氧化或發生其他副反應，降低了目標產物的選擇性和收率。因此，如何在保證電極材料具有高活性的同時，實現對目標反應的高選擇性，是當前電極材料研究面臨的一大挑戰。這需要深入理解電極表面的反應機理，通過合理設計電極材料的組成、結構和表面性質，來精確調控其活性和選擇性，以滿足不同精細化工反應的需求。

（2）反應器設計

放大難題

從實驗室規模的電催化連續流反應器向工業規模放大過程中，面臨著諸多技術難題。在實驗室中，反應器通常體積較小，反應條件相對容易控制，傳質、傳熱效率較高。然而，當進行大規模放大時，反應器的尺寸增大，反應物在反應器內的流動狀態變得復雜，容易出現流速分布不均勻、局部傳質和傳熱效率降低等問題。例如，在大型連續流反應器中，靠近反應器壁面的流體流速可能較慢，而中心區域流速較快，這會導致反應物在不同位置的反應程度不一致，影響產品質量的均一性。此外，隨著反應器規模的增大，電極的面積和形狀也需要相應調整，如何保證在大面積電極上實現均勻的電流分布，避免出現局部電流密度過高或過低的情況，也是放大過程中需要解決的關鍵問題。若電流分布不均勻，會導致電極局部過度反應或反應不足，不僅影響反應效率和選擇性，還可能加速電極的損壞。

優化內部結構以提高性能

為了提高電催化連續流反應器的性能，需要對其內部結構進行深入優化。反應器內部的流道設計對反應物的流動狀態和傳質效率有著至關重要的影響。目前，常見的流道結構在某些復雜反應體系中可能無法滿足高效傳質和反應的要求。例如，傳統的直型流道在處理一些粘度較大的反應物或需要強化混合的反應時，傳質效率較低，容易導致反應物在反應器內的停留時間分布較寬，影響反應效果。因此，需要設計更加合理的流道結構，如采用微結構化流道、曲折流道或帶有混合元件的流道等，以增強流體的混合效果，提高傳質效率，使反應物能夠更加均勻地分布在反應器內，與電極表面充分反應。

五、總結

      電催化連續流系統作為綠色合成技術，在精細化工領域展現出巨大潛力。從原理上，該系統基于電化學反應，以電子為清潔試劑，借助連續流操作實現精準反應控制，具有高效傳質傳熱、條件易控、連續生產及綠色環保等優勢。

      在應用實例方面，于生物質轉化中，能將 5 - 羥甲基糠醛高效轉化為 2,5 - 呋喃二甲酸，大連理工大學團隊構建異質結電催化劑等，使 HMF 轉化率、產物選擇性和法拉第效率顯著提升，且反應器穩定性良好；清華段昊泓團隊設計的單程連續流反應系統，有效抑制生物質平臺分子在堿性環境中的非法拉第反應，實現高濃度重要化學品的連續化和公斤級制備。在藥物合成領域，廈門大學徐海超教授課題組利用連續流電化學微反應器技術平臺，實現氧化型不對稱催化反應，拓展了藥物合成中復雜手性分子的制備方法；還可用于含氮雜環藥物中間體的綠色合成，提高產物純度與收率。在有機小分子合成中，山西大學團隊設計 Pickering 乳滴一體化電極，解決電催化合成環己酮肟過程中羥胺中間體與環己酮接觸困難等問題，實現高效合成；基于微流控技術搭建的連續流微反應平臺，可合成用于電催化合成氨的高性能銥 / 碳納米復合材料，提升催化活性與貴金屬利用率 。

      不過，該系統也面臨諸多挑戰。電極材料上，穩定性欠佳，易在復雜電化學環境中腐蝕、溶解或結構變化，且活性與選擇性難以平衡，提升活性易導致選擇性降低。反應器設計層面，放大時存在反應物流動狀態復雜、電極電流分布不均等難題，內部結構也需優化，如流道設計要增強混合與傳質效果。

      盡管挑戰重重，但隨著研究的深入和技術的創新，電極材料有望通過合理設計和改性得以優化，反應器設計也將借助先進技術實現突破。電催化連續流系統在精細化工領域將朝著更加高效、穩定、大規模應用的方向發展，為精細化工行業的綠色轉型注入強大動力，推動其邁向可持續發展的新階段 。

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。

      SSC-PECRS電催化連續流反應系統將氣路液路系統、光電催化反應池、在線檢測設備等進行智能化、微型化、模塊化設計并集成為一套裝置，通過兩路氣路和兩路液路的不同組合實現電催化分析，并采用在線檢測體系對反應產物進行定性定量分析。可以適配市面上多數相關的電解池，也可以根據實驗需求定制修改各種電催化池。

產品優勢：

● 將光源、電化學工作站、電催化反應池、管路切換和氣相色譜模塊化集成化系統化；

● PLC控制系統集成氣路、液路控制、溫度控制、壓力控制、閥體切換、流路顯示等；

● 主要用于半導體材料的光電催化流動相CO2還原反應活性評價等；

● 用于半導體材料的光電催化流動相H2O分解產氫、產氧活性評價、N2還原、電催化等；

● 微量反應系統，極低的催化劑用量；

● 導電電極根據需要可表面鍍金、鈀或鉑，導電性能佳，耐化學腐蝕；

● 標配光電反應池，可實現兩室三電極體系或三室三電極體系，采用純鈦材質，耐壓抗腐蝕

● 可適用于氣-固-液三相界面的催化反應體系，也可適用于陰陽極液流循環反應系統；

● 測試范圍廣，CO2、CO、CH4、甲醇、氫氣、氧氣、烴類等微量氣體。