突破材料设计局限！新型电催化技术靠 “流体调控” 实现活性飞跃

一、研究背景与核心目标

电催化的重要性：作为可持续能源转化与存储的核心学科，需实现分子向高能密度产物的高效转化。

传统局限：过去数十年研究多聚焦于催化剂材料设计以提升本征活性，而碰撞电化学虽能通过调控操作条件改善活性，但颗粒运动随机性导致催化剂递送不可控，限制性能提升。

研究灵感：借鉴生物体内 “底物通道化” 的三维通道结构，构建人工微通道系统以实现可控传质。

核心目标：开发流体动力学单颗粒电催化系统，通过调控操作条件（而非材料设计）提升电催化活性，以 Pd NPs 催化 HER 为验证案例。

二、灵感来自自然界：微观通道实现 “精准导航”

研究团队从生物体内的 “底物通道化” 现象中获得灵感。在生物体内，经过亿万年进化形成的三维通道结构，能精准调控反应物的传输路径，让催化反应高效有序地进行。受此启发，团队将碰撞电化学与微流控技术相结合，构建了基于微通道的超微电极系统。

这个系统的核心是一根微小的通道，里面充满了分散着钯纳米颗粒（Pd NPs）的电解液。通过外力驱动，电解液在通道内形成稳定的层流（类似平静河流的流动状态），钯纳米颗粒就像在 “专用赛道” 上行驶的赛车，被精准、有序地递送到电极与电解液的界面处。这种设计解决了传统系统中颗粒运动随机的问题，让每一个纳米颗粒都能发挥催化作用。

 图1. 微通道限域的高通量连续流单颗粒电催化析氢原理示意图。

性能飞跃的关键：双管齐下提升活性

实验结果显示，这种新型系统的催化性能实现了质的飞跃，关键在于两个核心优势：

一方面，层流的强制对流效应让钯纳米颗粒的碰撞频率大幅提升。与传统扩散模式相比，电极表面的活性位点数量直接增加了 2 个数量级，相当于让催化剂的 “兵力” 提升了 100 倍，极大地提高了反应的吞吐量。

另一方面，强制对流还加速了质子的传质效率。质子是析氢反应（HER）的核心反应物，快速的传质能让每个钯纳米颗粒都能及时获得 “原料”，从而提升单个颗粒的催化活性。实验中，单个钯纳米颗粒的催化效率显著提高，电流与电位的关系更符合理想的催化动力学规律。

更令人惊喜的是，在这种高效传质的条件下，反应无需高过电位就能实现 “相转变”—— 生成氢气纳米气泡。这一现象不仅验证了催化效率的提升，还为研究微观尺度下的气液相变提供了独特的观测窗口。

图2. 通过流体动力学调控的单颗粒电催化。（a）不同流速条件下的计时电流曲线曲线，偏置电压为-700 mV vs Ag/AgCl QRCE；（b）碰撞事件频率和流速的函数关系图；在流速分别为（c）0.0 μL min^-1和（d）1.9 μL min^-1时单个钯纳米颗粒的传质模式及对应的单个特征瞬态电流信号示意图。

15 小时稳定运行：为实际应用铺路

除了优异的催化活性，该系统还展现出出色的稳定性。经过 15 小时的连续循环测试，电流振幅和反应事件频率几乎没有变化，证明其能够长时间稳定工作。这一特性为该技术从实验室走向实际应用奠定了重要基础。

值得一提的是，这种基于流体动力学的调控策略并非只适用于钯纳米颗粒。研究团队表示，该系统还可扩展到铂纳米颗粒等其他纳米材料，为多种电催化反应提供通用的性能提升方案。

布瑞利斯带你打破思维定式：电催化研究的新方向

这项研究的意义不仅在于开发出一种高性能的电催化系统，更在于打破了 “提升催化活性只能靠材料设计” 的思维定式。浙江布瑞利斯微流控电化学技术凭借微尺度效应与连续流特性，在精细化工与医药中间体合成中展现突出优势。其微通道内传质传热效率提升 1–2 个数量级，可精准控制反应界面与电位分布，显著提高产物选择性与收率。

设备体积微型化，试剂消耗量仅为传统工艺的 1/100–1/10，大幅降低成本与环保压力。同时，连续流操作实现工艺自动化与在线监测，易与光催化、分离单元集成，适配高通量筛选与规模化生产的无缝衔接，是绿色化工与精准合成的核心技术路径。