在大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)中，都會(huì)發(fā)生由氧化性物質(zhì)和還原性物質(zhì)的化學(xué)勢(shì)引起的電子傳遞。這種電子傳遞也可以由電極電位引起，電極電位將電子直接從化學(xué)物質(zhì)移動(dòng)到外部電路。自1930年Mantell的有關(guān)電化學(xué)電池的書出版以來，電化學(xué)工程技術(shù)一直穩(wěn)步發(fā)展，并在氯堿工業(yè)中實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)化。作為一種原子經(jīng)濟(jì)的反應(yīng)技術(shù)，電化學(xué)反應(yīng)被廣泛用于有機(jī)合成，通常被稱為電合成過程。例如，有機(jī)物的電氧化會(huì)產(chǎn)生高反應(yīng)性的中間體，如“陽(yáng)離子池”和自由基，它們會(huì)加入反應(yīng)鏈以生成目標(biāo)產(chǎn)物。與普通的氧化還原反應(yīng)（其中標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)勢(shì)由氧化劑和還原劑確定）相比，電化學(xué)反應(yīng)可調(diào)控氧化或還原能力，從而提高了對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性。因此，電化學(xué)方法對(duì)于在合成或加工過程中生產(chǎn)具有選擇性問題的高價(jià)值化合物至關(guān)重要，如藥物中間體和天然同系物。例如，Kawamata等報(bào)道了一種電化學(xué)方法，該方法通過使用奎寧環(huán)作為氧化還原介質(zhì)氧化非活性位的碳（C）–氫（H）鍵，在一個(gè)裝有廉價(jià)碳和鎳電極的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器中生成了50 g香紫蘇內(nèi)酯。該小組還報(bào)道了一種用于生成氮（N）– N連接的二聚吲哚生物堿的電氧化二聚法，該方法已被用于迪克西霉素B的全合成。

雖然已經(jīng)證明了電合成方法的優(yōu)點(diǎn)，但電合成技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用并不廣泛，這可能是由于電化學(xué)反應(yīng)體系復(fù)雜（包括添加劑電解質(zhì)）以及傳統(tǒng)電化學(xué)反應(yīng)器中物質(zhì)傳遞效率低產(chǎn)生的高能量成本。1969 年年初，Beck和Guthke 展示了在電化學(xué)過程中減小電極之間距離的優(yōu)點(diǎn)。最近，微反應(yīng)技術(shù)與電合成方法的結(jié)合引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的興趣。從本質(zhì)上來說，電化學(xué)反應(yīng)是固液反應(yīng)過程。使用微通道作為電化學(xué)反應(yīng)器的流通池，可以大大縮短離子遷移的距離，從而減少反應(yīng)的焦耳熱，并有助于從反應(yīng)系統(tǒng)中去除支持電解質(zhì)。另外，配備平行電極的微通道中的電場(chǎng)更均勻，同時(shí)電極之間的短距離可保證穩(wěn)定的內(nèi)部層流，從而增強(qiáng)對(duì)反應(yīng)物接觸順序的控制。作為一種混合技術(shù)，電合成微反應(yīng)器兼具電化學(xué)反應(yīng)手段和微反應(yīng)器強(qiáng)化傳遞的優(yōu)點(diǎn)，包括高反應(yīng)選擇性，停留時(shí)間控制精確，工作效率和安全性高。此外，電化學(xué)和微反應(yīng)裝置都可以進(jìn)行數(shù)量放大，從而可以將相關(guān)過程按比例放大以用于工業(yè)應(yīng)用。最近在亞洲、歐洲和北美洲舉行的流動(dòng)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)議都以電合成為主題，包括醇的選擇性氧化、二氧化碳（CO2）還原、羧化、碳-硫（S）交叉耦合、三氟甲基化、脫保護(hù)反應(yīng)、己基噻吩聚合和有機(jī)化合物降解。

微通道在電合成中的優(yōu)勢(shì)

電子是最清潔的化學(xué)試劑，因此，化學(xué)家很早就開始使用電化學(xué)方法生產(chǎn)化學(xué)藥品。電化學(xué)反應(yīng)器支持電化學(xué)反應(yīng)并決定電化學(xué)過程的結(jié)果和工作效率。實(shí)驗(yàn)室有機(jī)合成中使用的電化學(xué)反應(yīng)器大多是間歇反應(yīng)器，它們是從帶有電極和多孔隔膜的燒杯反應(yīng)器演變而來的。在這些反應(yīng)器中，電極表面或附近的反應(yīng)速率通常受朝向或遠(yuǎn)離電極移動(dòng)的物質(zhì)傳質(zhì)速率限制，這是因?yàn)殡姌O之間的長(zhǎng)距離延長(zhǎng)了反應(yīng)時(shí)間，并且可能會(huì)由于所需反應(yīng)物在電極附近濃度不足而引起不必要的副反應(yīng)。一些反應(yīng)器使用旋轉(zhuǎn)電極或攪拌棒來促進(jìn)本體溶液的混合，但是它們的功效仍會(huì)受到限制，尤其是在涉及多個(gè)液相的工作系統(tǒng)中。為了增加電合成反應(yīng)

器的容量，人們已經(jīng)開發(fā)出了裝配有大面積平行電極的流通池（主要用于能量存儲(chǔ)中的流動(dòng)電池）。這種緊湊型反應(yīng)裝置的特點(diǎn)是傳質(zhì)距離短，并且易于放大。然而，據(jù)我們所知，這些并聯(lián)設(shè)備中的電極間距離仍在毫米至厘米的范圍內(nèi)，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)無法有效控制電極之間的流體流動(dòng)。

圖1. 典型的電合成反應(yīng)器示意圖。（a）間歇式電合成反應(yīng)器（燒杯反應(yīng)器）中的傳質(zhì)和反應(yīng)步驟。r和P分別代表反應(yīng)物和產(chǎn)物；*表示溶液中或電極上吸附的（下角標(biāo)為ads）參與電合成反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)；rbulk表示本體溶液中的反應(yīng)物；rads表示吸附在電極上的反應(yīng)物；Pbulk表示本體溶液中的產(chǎn)物；Pads表示吸附在電極上的產(chǎn)物；e?表示電子；+表示正極；–表示負(fù)極。并非所有的電合成反應(yīng)都涉及先前和（或）隨后的反應(yīng)，它們是為了一般性而指出的。（b）帶有旋轉(zhuǎn)電極的燒杯反應(yīng)器，用于促進(jìn)本體溶液的混合。（c）進(jìn)行離子交換控制的電解合成的H型反應(yīng)器。由于存在隔膜，傳質(zhì)主要取決于多孔膜附近區(qū)域的擴(kuò)散。（d）流通池反應(yīng)器，用于在循環(huán)溶液中進(jìn)行批次電合成反應(yīng)。（e）用于電解合成的流通池反應(yīng)器，其中反應(yīng)室被離子交換膜隔開。

縮短電合成設(shè)備中電極之間的距離非常重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)有機(jī)反應(yīng)在弱極性溶液中能更有利地進(jìn)行，但這些溶液的離子傳遞性能較差。溶液的低電導(dǎo)率不僅降低了離子的傳質(zhì)速率，還導(dǎo)致電回路中出現(xiàn)高電阻，從而增加了能源成本和熱量損失。在許多電化學(xué)過程中，支持電解質(zhì)被用于增加溶液的電導(dǎo)率，如四丁基四氟硼酸銨（Bu4NBF4）和四丁基六氟磷酸銨（Bu4NPF6），但這些支持電解質(zhì)反過來增加了反應(yīng)后物質(zhì)純化的難度。但是，通過縮短離子傳遞路徑，電阻會(huì)自動(dòng)降低。一些小流通池中的電合成反應(yīng)不需要支持電解質(zhì)。由于能斯特?cái)U(kuò)散層在電化學(xué)反應(yīng)中通常為10~500 μm，因此微米級(jí)流通池可實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極和陰極附近質(zhì)量傳遞的耦合，且該過程受本體溶液中離子遷移的影響較小。在工程方面，該方法與常規(guī)方法相比需要的試劑（比如電解質(zhì)）更少，從而改善了原子經(jīng)濟(jì)性。分離和純化步驟因此更簡(jiǎn)單并且可能更安全。

與常規(guī)微反應(yīng)器類似，電合成微反應(yīng)器使用微通道作為流通池進(jìn)行反應(yīng)，不同之處在于通道的兩個(gè)平行壁被用來充當(dāng)電極，它們由鉑、石墨、鎳、鐵或其他電極材料制成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，電極的方向可以是上下或左右的，如圖2（a）、（b）所示。離子膜也可以固定在兩個(gè)平行的微通道之間，以隔離特定物質(zhì)并防止不必要的副反應(yīng)。與傳統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)器中的流通池相反[1]，電合成微反應(yīng)器中的流通池不使用大空間反應(yīng)室，而是使用微米尺寸的通道，該通道的寬度和高度均較小。通道壁可以很好地支撐電極之間的微小距離，但更重要的是，在狹窄的流動(dòng)路徑下，反應(yīng)溶液的流動(dòng)方向可以被任意地引導(dǎo)，如圖2（c）所示，流通池中流動(dòng)方向的隨機(jī)性使得反應(yīng)更可控。隨著流動(dòng)路徑的限制，停留時(shí)間分布變窄，對(duì)具有較大比表面積的流通池來說，溶液到反應(yīng)器外殼的傳熱也得到了改善。此外，微通道較大的比表面積為單位體積的反應(yīng)器提供了較大的電極面積，因此，電合成微反應(yīng)器的工作效率高于傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)器。表1比較了電合成微反應(yīng)器和間歇反應(yīng)器在芳基亞磺酸存在時(shí)，4-氨基苯基醚與醌磺酰亞胺（QSI）的恒流氧化反應(yīng)的結(jié)果。電合成微反應(yīng)器內(nèi)有一個(gè)寬度為1 mm的流通池，與間歇反應(yīng)器相比，其生成的產(chǎn)物（QSI 1~3分別為C20H17NO5S2、C18H13NO5S2 和C18H11Cl2NO5S2，它們是具有包括CH3、氫和氯在內(nèi)的不同取代基的醌磺酰亞胺）的純度和收率更高，反應(yīng)更快。這些反應(yīng)工程因素有助于緊湊、高效且易于操作的電合成微反應(yīng)平臺(tái)的形成，如圖2（d）所示。

圖2. 電合成微反應(yīng)器和典型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。（a）微通道反應(yīng)器，用于使用“陽(yáng)離子池”將N-酰基亞胺離子和烯丙基合成酰胺。（b）三維（3D）打印的電化學(xué)微通道反應(yīng)器，帶有側(cè)放電極（黃色）和透明蓋，用于水（H2O）的電解實(shí)驗(yàn)。（c）具有花型微通道的電合成微反應(yīng)器的示意圖。（d）裝有微反應(yīng)器、泵、電源和收集瓶的實(shí)驗(yàn)裝置，用于電合成噻唑烷-2-亞胺。

表1?使用間歇反應(yīng)器和微反應(yīng)器對(duì)醌磺酰亞胺（QSI）1~3進(jìn)行電合成

電合成微反應(yīng)器流通池的組裝是高度模塊化的，是連續(xù)流動(dòng)化學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，人們認(rèn)為這是合成藥物和高價(jià)值精細(xì)化學(xué)品的下一代技術(shù)。例如，Qu等采用了圖3（a）中所示的兩步流動(dòng)化學(xué)法綠色合成N-苯基苯甘氨酸及其同系物。使用電合成微反應(yīng)器通過適當(dāng)?shù)膩啺返聂然芍虚g體陰離子碳，然后通過隨后的鹽酸（HCl）酸化將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的α-氨基酸。羧化和酸化連續(xù)進(jìn)行。Green等報(bào)道了一種更復(fù)雜的流動(dòng)合成方法，用于N-雜環(huán)卡賓介導(dǎo)的乙醛的陽(yáng)極氧化酰胺化。如圖3（b）所示，使用微電解池氧化Breslow中間體。電氧化后，使中間體N-?；泥邕蜿?yáng)離子與伯胺反應(yīng)并通過加熱室。分別實(shí)現(xiàn)了99%的收率、2.6 g· h–1的生產(chǎn)率和91%的電流效率。除了作為流動(dòng)化學(xué)系統(tǒng)的一部分，流動(dòng)化學(xué)還可以用于電合成過程。圖3（c）顯示了N-羥基鄰苯二甲酰亞胺（NHPI）通過帶有陽(yáng)離子交換膜的電合成微反應(yīng)器輔助苯乙酮的電有氧氧化反應(yīng)，該反應(yīng)器用于防止NHPI陰離子在陰極分解。使用Teflon AF套管內(nèi)吸收器將氧飽和的反應(yīng)物溶液送入陽(yáng)極的流室，并使用在線紅外光譜（IR）檢測(cè)器監(jiān)控生產(chǎn)過程。

圖3. 包含電合成微反應(yīng)器的流動(dòng)化學(xué)系統(tǒng)的典型示例。（a）流動(dòng)過程中電合成中間體陰離子碳及其隨后酸化的示意圖。（b）通過噻唑雙磺胺介導(dǎo)的乙醛（8）的流動(dòng)電合成酰胺（11a）。Mes：均三甲苯；DBU：1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯；X：鹵素；Bn：芐基；NTf：N-三氟甲磺?；?。（c）用于NHPI介導(dǎo)的芐基C–H鍵有氧氧化的流通池的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）圖像和示意圖。在進(jìn)入陽(yáng)極室之前，陽(yáng)極電解液會(huì)在Teflon AF套管設(shè)備中被氧氣飽和。采用在線紅外光譜（IR）對(duì)陽(yáng)極電解液中的物質(zhì)濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖中還展示了反應(yīng)機(jī)理和循環(huán)伏安圖。RVC：網(wǎng)狀玻璃體碳；Pt：鉑；PINO：鄰苯二甲酰亞胺-N-氧基；E：電位；Ep/2：半峰電位；E1/2：半波電位；vs. Fc/Fc+：與二茂鐵/二茂鐵氧化還原對(duì)相比較；kc：速率常數(shù)。

電合成微反應(yīng)器的流動(dòng)和傳質(zhì)特性

電合成微反應(yīng)器作為一種新型的微反應(yīng)裝置，目前還不能被完全理解。為了促進(jìn)電合成微反應(yīng)器的開發(fā)，需要了解電極嵌入的微通道的流動(dòng)和傳質(zhì)的基本規(guī)律。與普通的微通道反應(yīng)器相似，電合成微反應(yīng)器也通常由層流主導(dǎo)，但有時(shí)電合成反應(yīng)需要獨(dú)特的流動(dòng)形態(tài)和傳質(zhì)控制。揭示電合成微反應(yīng)器中流動(dòng)和傳遞現(xiàn)象的方法是有限的，已有報(bào)道中的方法主要來自傳統(tǒng)的微流體研究，如顯微鏡觀察和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬。與以前壁載催化劑的微反應(yīng)器相似，關(guān)鍵的傳遞方向垂直于電合成微反應(yīng)器的通道壁，但是在處理離子傳質(zhì)問題時(shí)還應(yīng)考慮電遷移的影響。

微通道流通池中的液 - 液并流

在具有T型或Y型入口的直微通道中，液-液并流易于產(chǎn)生層流。這種穩(wěn)定的流型也可實(shí)現(xiàn)具有分支出口的流體分離。由于在微空間中流動(dòng)方向具有良好的可控性，因此有關(guān)液-液并流的研究較為廣泛。通道壁之間的傳質(zhì)是由液-液并流中的分子擴(kuò)散決定的，這一過程并不是很快，但研究人員已經(jīng)開發(fā)出許多先進(jìn)的方法來打破并流以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的快速混合。盡管液-液并流不會(huì)促進(jìn)混合，但它可以用于控制電合成過程中的反應(yīng)，參見圖4中Atobe Mahito教授小組的示例。液-液并流主要用于分隔陽(yáng)極和陰極附近的不同反應(yīng)區(qū)域。圖4（a）顯示了乙醛和烯丙基氯化物通過陰極還原的選擇性交叉耦合反應(yīng)。反應(yīng)機(jī)理表明，乙醛和烯丙基氯化物均可在陰極上被還原，但不同的還原順序?qū)е娄?和g-加合物的收率不同。作者首先確定了苯甲醛的擴(kuò)散系數(shù)[圖4（a）中的2a ，然后

通過CFD模擬獲得了其在微通道中的濃度分布。結(jié)果表明，苯甲醛在陰極表面附近的濃度接近零，因此在反應(yīng)過程中幾乎只生成1-氯-3-甲基-2-丁烯（1a）。使用圖4（b）所示的設(shè)備測(cè)試了三種流動(dòng)模式的性能[圖4 （a），它們代表了反應(yīng)物混合（單股流體模式）和反應(yīng)物分層模式[圖4（a）中的流動(dòng)模式1和2。表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，收率和選擇性取決于流動(dòng)模式，并且流動(dòng)模式1獲得的α-加合物（4a）的選擇性大于90%。在另一項(xiàng)研究中，Matsumura等報(bào)道了2-吡咯烷酮[圖4（b）中的化合物1]和陰極之間接觸最大化時(shí)[圖4（c）的最佳結(jié)果。表2中列出的結(jié)果表明，流動(dòng)模式A實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)產(chǎn)品（甲基-2-甲基苯乙酸甲酯5a）的最高收率。流動(dòng)模式B下的反應(yīng)混合物中低濃度的2-吡咯烷酮以及流動(dòng)模式C下的甲基碘與電極的接觸都降低了反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和單烷基化產(chǎn)物的選擇性。注意，在這些電合成微反應(yīng)器中，電極通常沿著微通道放置一段距離，從而使反應(yīng)隨著溶液的通過而連續(xù)進(jìn)行。有時(shí)，不需要極快速地完成電合成反應(yīng)，而是需要合理控制傳質(zhì)過程。盡管沒有離子交換膜那么直接，但通過液-液并流將流通池分區(qū)，也在一定程度上防止了副反應(yīng)。因此，裝有膜的電合成微反應(yīng)器也可以被認(rèn)為是液-液并流反應(yīng)器。

圖4. 液-液并流在電化學(xué)微反應(yīng)中的典型應(yīng)用。（a）層流反應(yīng)器，用于乙醛與烯丙基氯的選擇性交叉耦合。該圖顯示了微反應(yīng)器通道中2a從入口到下游1.0 mm擴(kuò)散的CFD模擬，以及在特定位置的2a濃度分布。反應(yīng)機(jī)理如圖中左側(cè)顯示，微反應(yīng)器中的三種流動(dòng)模式如圖中底部所示，由于流體分層，從而導(dǎo)致產(chǎn)品收率不同。HMPA：六甲基磷酸酰胺；F：法拉第常數(shù)；Ph：苯基。（b）液-液并流反應(yīng)器示意圖。DMF：N,N-二甲基甲酰胺。（c）液-液并流中苯乙酸甲酯單烷基化的反應(yīng)機(jī)理和三種流動(dòng)模式。反應(yīng)方程式顯示了不同的流動(dòng)區(qū)域。Mel：甲基碘；R：烷基。

表2?比較圖4（a）、（c）的不同流動(dòng)模式的反應(yīng)結(jié)果

包含氣泡的液（氣 - 液）流微通道流通池

在電合成反應(yīng)器中，氧化和還原反應(yīng)分別在陽(yáng)極和陰極上進(jìn)行。其中一極是我們研究的發(fā)生主要反應(yīng)的工作電極，另一極則是對(duì)電極，常常作為電子的供體或受體產(chǎn)生氫氣或二氧化碳，如Folgueiras-Amador等報(bào)道的異吲哚啉酮的合成反應(yīng)，Horii等報(bào)道的2,5-二甲氧基-2,5-二氫呋喃的合成反應(yīng)，Wang等研究的醇的電化學(xué)氧化，以及Wouters等報(bào)道的硝基苯還原-甲醇氧化反應(yīng)。許多電化學(xué)合成過程包含了氣體生成反應(yīng)，從而將反應(yīng)體系轉(zhuǎn)變?yōu)闅?液兩相體系。由于工作電極和對(duì)電極之間的距離較長(zhǎng)，工作電極附近的傳質(zhì)作用也可忽略不計(jì)，因此傳統(tǒng)的間歇式電合成反應(yīng)器中的氣泡流動(dòng)很少受到關(guān)注。但是，在電極間距非常近的微通道中，應(yīng)仔細(xì)考慮氣泡含量對(duì)液體流動(dòng)的影響。電解液中氣相的存在強(qiáng)烈影響著反應(yīng)溶液的電導(dǎo)率和離子傳遞。Islam等研究了圖2（b）中顯示的三維（3D）打印微型反應(yīng)器的流動(dòng)細(xì)節(jié)。盡管該研究不具備有機(jī)化合物電合成的特征，但它通過水（H2O）和氯化鈉（NaCl）溶液的電解反應(yīng)，研究了電化學(xué)微通道反應(yīng)器中的氣泡產(chǎn)生和流動(dòng)。微通道反應(yīng)器中的流通池未安裝離子交換膜，產(chǎn)品通過分支出口直接分離，如圖5（a）所示。圖5（b）、（c）表明，涂覆有二氧化銥（IrO2）、二氧化釕（RuO2）和二氧化鈦（TiO2）的鈦電極會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，且氣泡的尺寸沿流動(dòng)方向增加。作者發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)（Re）極大地影響了微反應(yīng)器的工作效率。從最低Re到最高Re，H2O和NaCl溶液分解的電流密度分別增加大約10%和20%，從而減少了流通池中氣體的體積分?jǐn)?shù)。與常規(guī)微反應(yīng)器中的氣-液兩相流（如氣-液泰勒流）相比，電化學(xué)微反應(yīng)器中氣體的生成方式有所不同，且一般規(guī)律不能解釋和預(yù)測(cè)電化學(xué)微反應(yīng)器中氣泡的產(chǎn)生、破裂和聚并。

電合成微反應(yīng)器的放大

作為一種前沿技術(shù)，微反應(yīng)器已在工業(yè)過程中投入使用，且微反應(yīng)器的放大主要依靠增加數(shù)目的方法。對(duì)于本質(zhì)上在固體表面發(fā)生反應(yīng)的電合成反應(yīng)，反應(yīng)生產(chǎn)率高度依賴電極面積。因此，放大電合成微反應(yīng)器也基于微通道單元的數(shù)目放大。如果可以接受流阻，那么與傳統(tǒng)的并聯(lián)使用的微流控裝置形成對(duì)比的是，電化學(xué)微反應(yīng)器中的微通道也可以串聯(lián)使用。Laudadio等最近比較了使用8通道設(shè)備的兩種放大方法，如圖6（a）所示，其中通道由短管單獨(dú)連接。采用并聯(lián)微通道和串聯(lián)微通道進(jìn)行硫代苯甲醚的氧化反應(yīng)，結(jié)果表明，由于反應(yīng)溶液停留時(shí)間較長(zhǎng)，串聯(lián)微通道能夠獲得較高的亞砜收率，但是并聯(lián)微通道產(chǎn)生的亞砜收率也可以接受。電合成微反應(yīng)的進(jìn)一步放大可以通過并聯(lián)或串聯(lián)的反應(yīng)器數(shù)目增加來實(shí)現(xiàn)。最近，Peters等報(bào)道了通過并聯(lián)應(yīng)器對(duì)4-甲基叔丁基二甲基硅氧基苯進(jìn)行規(guī)模化的電還原反應(yīng)，這是一種有效的伯奇還原方法。通過使用更多的并聯(lián)反應(yīng)器，4-甲基叔丁基二甲基硅氧基苯的產(chǎn)量從10 g增加到100 g，而收率沒有明顯降低。在另一個(gè)放大組件的實(shí)例中，模塊化微反應(yīng)器用于二氯乙酸與氯乙酸的電轉(zhuǎn)換，Scialdone等報(bào)道了三個(gè)串聯(lián)的微反應(yīng)器可以更大程度地調(diào)節(jié)反應(yīng)器的電流密度，從而改善了反應(yīng)的選擇性控制。如表3所示，盡管這項(xiàng)研究記錄的生產(chǎn)率是毫摩爾級(jí)的，但已充分證明了可規(guī)模化的電合成微反應(yīng)器原型。作為電合成和微反應(yīng)研究的新進(jìn)展，很少有報(bào)道涉及反應(yīng)器放大的原理和方法。然而，儲(chǔ)能電池的現(xiàn)有原理可供參考。圖6（b）展示了基于溴-多硫化物氧化還原反應(yīng)進(jìn)行能量存儲(chǔ)的100 kW液流電池模塊堆（XL 200型，200-雙極電池，Regenesys，英國(guó)）的照片，圖6（c）顯示了較小流量電池（XL 10型，10-雙極電池）的結(jié)構(gòu)。盡管液流電池中的反應(yīng)室與電合成微反應(yīng)器中的微通道不同，但反應(yīng)器集成、包裝和操作的原理是可以互通的。

圖6. 供參考的實(shí)驗(yàn)室規(guī)?；姾铣晌⒎磻?yīng)器原型和中試規(guī)模的液流電池。（a）8通道電化學(xué)微反應(yīng)器的示意圖；（b）用于儲(chǔ)能的XL 200液流電池模塊堆的照片；（c）XL 10反應(yīng)器的單個(gè)電極室和側(cè)視圖，展示了法蘭和管道位置（未按比例繪制）。PE：聚乙烯。

表3?微反應(yīng)器在二氯乙酸水溶液中的串聯(lián)或疊置反應(yīng)性能

由于發(fā)展對(duì)環(huán)境負(fù)責(zé)和可持續(xù)的化學(xué)合成工藝成為了重要目標(biāo)，人們對(duì)電合成方法產(chǎn)生了興趣。作為流動(dòng)化學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，在化學(xué)工業(yè)中電合成方法和微反應(yīng)技術(shù)的結(jié)合具有巨大的潛力。電合成微反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)包括原子經(jīng)濟(jì)、綠色安全加工，以及易于放大，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)化學(xué)和化學(xué)工程領(lǐng)域目標(biāo)的多功能設(shè)備。減小電極之間的距離并增加電極面積，可有效降低離子傳遞阻力，實(shí)現(xiàn)可控的電合成，從而解決傳統(tǒng)間歇反應(yīng)器的不足，這也許能夠推動(dòng)電合成技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。盡管電合成微反應(yīng)器具有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍需要闡明控制電合成過程的因素，原因是嵌入微通道的電極流動(dòng)和傳遞現(xiàn)象規(guī)律獨(dú)特，且電合成微反應(yīng)過程的研究方法受限。除了已經(jīng)討論的流動(dòng)模式外，其他有用的流動(dòng)模式，如有機(jī)相-水相泰勒流也可以用于電合成過程，以通過建立相變過程來克服有機(jī)溶液的低電導(dǎo)率。眾所周知，在微流體領(lǐng)域，微通道的潤(rùn)濕性會(huì)顯著影響流型，進(jìn)而影響傳質(zhì)性能，但在目前的電合成研究中，帶電電極上流體接觸角的變化規(guī)律仍未得到充分的報(bào)道。電極界面性質(zhì)對(duì)電化學(xué)微反應(yīng)過程的影響也需要仔細(xì)研究。另外，應(yīng)該建立對(duì)電合成微反應(yīng)器質(zhì)量和傳熱速率的微尺度傳遞實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)是量化和建模。電合成反應(yīng)中另一個(gè)重要且未被報(bào)道的方面是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。最后，大多數(shù)電合成反應(yīng)器仍在使用經(jīng)典的惰性電極，而沒有先進(jìn)的電催化劑材料。電合成和電催化技術(shù)的結(jié)合效果顯著，例如，使用NixB改性的鎳泡沫（NF），在連續(xù)流膜反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)5-（羥甲基）糠醛的有效電氧化和糠醛在Pd/C陰極中的氫化。因此，材料科學(xué)的發(fā)展將為電合成微反應(yīng)技術(shù)提供參考。