一、研究背景與核心目標

電催化的重要性：作為可持續能源轉化與存儲的核心學科，需實現分子向高能密度產物的高效轉化。

傳統局限：過去數十年研究多聚焦于催化劑材料設計以提升本征活性，而碰撞電化學雖能通過調控操作條件改善活性，但顆粒運動隨機性導致催化劑遞送不可控，限制性能提升。

研究靈感：借鑒生物體內 “底物通道化” 的三維通道結構，構建人工微通道系統以實現可控傳質。

核心目標：開發流體動力學單顆粒電催化系統，通過調控操作條件（而非材料設計）提升電催化活性，以 Pd NPs 催化 HER 為驗證案例。

二、靈感來自自然界：微觀通道實現 “精準導航”

研究團隊從生物體內的 “底物通道化” 現象中獲得靈感。在生物體內，經過億萬年進化形成的三維通道結構，能精準調控反應物的傳輸路徑，讓催化反應高效有序地進行。受此啟發，團隊將碰撞電化學與微流控技術相結合，構建了基于微通道的超微電極系統。

這個系統的核心是一根微小的通道，里面充滿了分散著鈀納米顆粒（Pd NPs）的電解液。通過外力驅動，電解液在通道內形成穩定的層流（類似平靜河流的流動狀態），鈀納米顆粒就像在 “專用賽道” 上行駛的賽車，被精準、有序地遞送到電極與電解液的界面處。這種設計解決了傳統系統中顆粒運動隨機的問題，讓每一個納米顆粒都能發揮催化作用。

 圖1. 微通道限域的高通量連續流單顆粒電催化析氫原理示意圖。

性能飛躍的關鍵：雙管齊下提升活性

實驗結果顯示，這種新型系統的催化性能實現了質的飛躍，關鍵在于兩個核心優勢：

一方面，層流的強制對流效應讓鈀納米顆粒的碰撞頻率大幅提升。與傳統擴散模式相比，電極表面的活性位點數量直接增加了 2 個數量級，相當于讓催化劑的 “兵力” 提升了 100 倍，極大地提高了反應的吞吐量。

另一方面，強制對流還加速了質子的傳質效率。質子是析氫反應（HER）的核心反應物，快速的傳質能讓每個鈀納米顆粒都能及時獲得 “原料”，從而提升單個顆粒的催化活性。實驗中，單個鈀納米顆粒的催化效率顯著提高，電流與電位的關系更符合理想的催化動力學規律。

更令人驚喜的是，在這種高效傳質的條件下，反應無需高過電位就能實現 “相轉變”—— 生成氫氣納米氣泡。這一現象不僅驗證了催化效率的提升，還為研究微觀尺度下的氣液相變提供了獨特的觀測窗口。

圖2. 通過流體動力學調控的單顆粒電催化。（a）不同流速條件下的計時電流曲線曲線，偏置電壓為-700 mV vs Ag/AgCl QRCE；（b）碰撞事件頻率和流速的函數關系圖；在流速分別為（c）0.0 μL min^-1和（d）1.9 μL min^-1時單個鈀納米顆粒的傳質模式及對應的單個特征瞬態電流信號示意圖。

15 小時穩定運行：為實際應用鋪路

除了優異的催化活性，該系統還展現出出色的穩定性。經過 15 小時的連續循環測試，電流振幅和反應事件頻率幾乎沒有變化，證明其能夠長時間穩定工作。這一特性為該技術從實驗室走向實際應用奠定了重要基礎。

值得一提的是，這種基于流體動力學的調控策略并非只適用于鈀納米顆粒。研究團隊表示，該系統還可擴展到鉑納米顆粒等其他納米材料，為多種電催化反應提供通用的性能提升方案。

布瑞利斯帶你打破思維定式：電催化研究的新方向

這項研究的意義不僅在于開發出一種高性能的電催化系統，更在于打破了 “提升催化活性只能靠材料設計” 的思維定式。浙江布瑞利斯微流控電化學技術憑借微尺度效應與連續流特性，在精細化工與醫藥中間體合成中展現突出優勢。其微通道內傳質傳熱效率提升 1–2 個數量級，可精準控制反應界面與電位分布，顯著提高產物選擇性與收率。

設備體積微型化，試劑消耗量僅為傳統工藝的 1/100–1/10，大幅降低成本與環保壓力。同時，連續流操作實現工藝自動化與在線監測，易與光催化、分離單元集成，適配高通量篩選與規模化生產的無縫銜接，是綠色化工與精準合成的核心技術路徑。