氢

Aenert. Research Laboratory news
鉴于不断增长的能源需求和气候变化，利用不同能源的能源将变得越来越重要。 在这些能源生产的替代方法中，像水电解这样的电化学过程脱颖而出，因为一方面，它们利用电力而不是化学物质，另一方面，可以通过将电化学过程连接起来来响应电源的波动。 在电力过剩的情况下或在电力短缺的情况下关闭它们。 水电解产生氢气，这是一种灵活的能源，在围绕能源转型的任何能源场景中发挥着重要作用。

现在 (2023), Fraunhofer IMM 正在构建电化学微反应器，也称为“流动池”，可用于电合成等绿色合成过程。 反应器在实验室规模开发和筛选不同合成工艺方面发挥着重要作用，以便合成可以转移到中试规模。 Fraunhofer IMM 与位于海德堡的 hte GmbH 合作，开发了一种模块化且灵活的电化学流动池概念，并将其用于电催化中的高通量筛选任务。

基本反应器概念采用板堆设计。 单个电化学电池由一组电极板和其他组件组成。 该电池堆由一个用于单独操作的电池组成，或者由一组可以并行、串行或同时操作的电池组成。 并行操作模式特别适合筛选任务。 因此，研究膜材料对电化学过程的影响很容易，因为可以在电池堆中的每个电化学电池中安装不同的膜，而这些电池在其他方面是相同的。 因此，可以确定最适合该工艺的膜并将其用于该工艺。 该反应器允许大量的电池变化，这意味着可以修改和测试不同的膜材料和电催化剂。

四个并联电化学电池的初步筛选模块原型已经构建完毕，目前正在进行验证。 如果成功，该模型可以扩展到 16 个并行单元。 众多的反应器配置使得筛选平台能够适应不同的应用领域。 因此，除了水电解之外，还可以考虑其他任务，例如活性药物成分的生产或废水处理中废物的分解。

多年来，科学家们一直在探索不同的环保制氢方法。 2011年，开发了电化学微反应器，可以在流动中进行电化学反应。 它有两个铝制主体（直径 50 毫米，高度 25 毫米）。 电极由两块 PTFE 板（直径 35 毫米，高 4 毫米）制成，并附有 0.1 毫米铂箔电极。 连接恒电位仪的电线敷设在铂下方的 PFTE 板内。 设计中使用了电极之间的小间隙以避免电解质的必要性和简单的设置。 电极由不同厚度的 FEP（氟化乙烯丙烯）箔隔开，其中切割出矩形反应通道（3 × 30 mm），总通道体积为 23 µL（FEP 箔 254 µm 厚）， 整个装置由钢螺钉和蝶形螺母固定在一起。 在反应过程中，在进行一些初始测试反应后合成了二芳基碘化合物。

使用已知的电化学反应作为电化学微反应器的测试反应。 呋喃 4 在甲醇中进行氧化甲氧基化，得到的顺式：反式比例约为 1:1 的产物表明我们的系统在电化学反应中运行良好。 根据 GC/MS 确定，已实现完全转化。

Image: Electrochemical microreactor


Source: Kevin Watts, William Gattrell, Thomas Wirth/ A practical microreactor for electrochemistry in flow/ Beilstein Journal of Organic Chemistry 7(1):1108-14, August 2011/ DOI:10.3762/bjoc.7.127/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Attribution 2.0 Generic (CC BY 2.0)

2023年，科学家报道了在太阳能电池集成无膜微流体反应器中共电解海水和二氧化碳（CO2）气体，以连续合成有机产品。 该反应器是使用聚二甲基硅氧烷基底构建的，该基底由一个中心微通道组成，该通道具有一对用于注入二氧化碳气体和海水的入口和一个用于去除有机产物的出口。 微通道中安装了一对铜电极，以确保与通过微通道的进入的二氧化碳气体和海水立即相互作用。 太阳能电池板与电极的耦合在低电压下在电极上产生高强度电场，导致二氧化碳和海水共电解。 在太阳能电池介导的外部电场的影响下，二氧化碳气体和海水的配对电解产生了一系列工业上重要的有机物。 合成的有机化合物在下游收集并使用表征技术进行鉴定。 此外，还分析了电极附近可能的潜在电化学反应机制，以合成有机产物。 研究发现，采用温室二氧化碳气体作为反应物，海水作为电解质，太阳能作为共电解引发的廉价电源，有助于微反应器用于二氧化碳封存和有机化合物合成的经济性和可持续性。

Image: Schematic illustration of the experimental set-up showing microreactor for  CO₂-sequestration. The microreactor has two inlets perpendicular to each other, one for seawater connected to the syringe pump operating at a constant flow-rate (Qw = 3 mL/min) and another for injection of gaseous  CO₂ from a pure  CO₂ gas cylinder with a mass flow meter operating at a constant flow-rate (Qg = 3 mL/min). The integrated Cu electrodes are positioned perpendicular to the gas–liquid flow and connected to a solar panel circuitry. The microreactor operates under sunlight and the organic products are collected at downstream of microchannel



Source: Saptak Rarotra, Saptak Rarotra, Tapas Kumar Mandal & Dipankar Bandyopadhyay/ Co-electrolysis of seawater and carbon dioxide inside a microfluidic reactor to synthesize speciality organics/ Scientific Reports volume 13, Article number: 10298 (2023), 26 June 2023/ doi.org/10.1038/s41598-023-34456-6/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

该反应器装置具有多个优点：与传统方法相比，新型电化学流动池实现的并行测试可能将催化剂的筛选速度加快四倍。 由于采用模块化设计，这些单元还可用于其他工艺。 因此，当前的电池设计能够构建各种反应器配置，例如具有不同的电极间距，这说明了广泛的可能应用。 此外，除了水电解之外，还可以考虑其他任务，例如活性药物成分的生产或废水处理中废物的分解。 该反应器可用于确定优化水电解过程的最佳方式。 另一个有用的应用是确定哪些电催化剂和膜可以提高过程的效率。

一般来说，可以对可扩展的电化学微反应器进行特定的调整，以便它们可以用于不同类型的任务。 可能正是由于这个原因，由于对绿色合成工艺的探索和直接使用（过量）可持续产生的能源的努力，电化学目前正在经历巨大的推动。

编委会