CN115976550B - 一种适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微反应器领域，公开了一种适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，包括底座，反应芯片和盖板；反应芯片包括间隔堆叠的电极通道板和通道辅助板；通道辅助板上设有进口分配通槽、出口汇聚通槽；电极通道板上沉积有相向的正极、负极以及位于正极、负极之间且两端分别与进口分配通槽、出口汇聚通槽连通的微米级流体微通道。本发明通过电极结构优化，可减小电极间距，从而极大地提高反应速率，同时流体微通道路径较短，尤其适用于高通量且反应速度较快的反应。此外，本发明的电化学微通道反应器结构紧凑、设计合理，装配简单，并且通道辅助板和电极通道板数量可按通量需求调整，易放大，实用性强。

Description

一种适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器

技术领域

本发明涉及微反应器领域，尤其涉及一种适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器。

背景技术

有机电化学合成，是通过电化学来进行有机合成的技术，使用有机分子或催化媒质在电与溶液界面上从而进行传递电荷、电能与化学能相互转化实现键与键之间断裂和形成。其相对于传统的有机合成技术，具有能量效率高、不污染环境等特点。有机电化学合成工艺作为一种绿色有效的化学合成方法，逐渐被用于各种化合物的合成制备。

在有机电化学合成中，氧化还原反应是依赖于反应底物与电化学电池电极的相互作用来实现的。由于电子本质上是用于氧化还原过程的试剂，因此相较于普通化合反应，有机电化学合成反应更为绿色环保，无需在反应液中添加氧化或还原试剂（众所周知，加氧化或还原试剂普遍具有毒害性）；此外，有机电化学合成反应可以在较低温度下进行，因此反应条件较为温和，且反应过程不会产生多余的废物。

研究表明，在电化学反应中，当表面积/体积比高时，电子的转移驱动反应和转变可以得到极大的优化。具体地，在连续进行的电化学反应中，反应液在正负电极之间连续流过，通过调节反应液的流速可以改变其暴露于电子转移过程的时间量。因此，通过减少正负电极之间的距离，能够实现更为高效的电子传输，可显著提高了反应的选择性。

微通道反应器是一种可用于进行化学反应的三维结构元件，其通常含有小的通道尺寸和通道多样性，反应液在微小的通道中连续流动的同时可发生相应的化学反应。相较于传统的反应釜而言，由于微通道反应器与反应液的接触面积更大，因此它具有更好地传热和传质能力，因此反应效率也就更为高效。

综上微通道反应器的特点与电化学反应的要求非常契合，因此现有技术中也有不少利用微通道反应器来进行电化学反应的报道。例如：中国发明专利ZL202110223816.0中介绍了一种基于微流控技术的微型电化学反应器，在该微型电化学反应器中，阳极组件和阴极组件中分别形成有流道，该流道分别与引入流道、排出流道连通；阳极组件与阴极组件彼此面对时，流道相互重合且流道之间由质子交换膜隔离。

中国发明专利ZL202010037003.8中介绍了一种持续流动电化学微通道反应器，在该方案中，S型微流道板采用厚度为0.1-0.5mm的PTFE或者FEP材质制成，正负电极的间距由间隔的S型微流道板的厚度决定。在上述介绍的两种电化学反应器中，正负电极的间距均是由正负电极之间间隔材料的厚度来决定的，基本上无法低于0.1mm，因此无法真正体现电化学在微通道尺度下的优势。而众所周知的是，反应器的装配难度和泄露风险与其尺寸成正比；另一方面，膜片具有弹性和易形变，当装配时受力不均匀或太大，很难控制正负电极的实际间距，并且同时也容易导致正负电极接触而短路。

此外，现有的有机电化学微通道反应器均是通用型的，没有根据不同反应特点的电化学反应来针对性地设计微通道结构。因此，对于一些反应速度较快且通量较高的电化学反应，会存在适配性较差的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，本发明通过电极结构优化，可减小电极间距，可实现快速的自由基中间体转移，从而极大地提高反应速率，同时优化后的流体微通道路径较短，尤其适用于高通量且反应速度较快的反应。此外，本发明的电化学微通道反应器结构紧凑、设计合理，装配简单，并且内部通道辅助板和电极通道板数量可按通量需求调整，易放大，实用性强。

本发明的具体技术方案为：一种适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，包括：

底座；

设于底座中的反应芯片，包括间隔堆叠的电极通道板和通道辅助板；通道辅助板上设有进口分配通槽、出口汇聚通槽；电极通道板上沉积有相向的正极、负极以及位于正极、负极之间且两端分别与进口分配通槽、出口汇聚通槽连通的微米级流体微通道；

覆盖于底座上方的盖板；盖板上设有分别与进口分配通槽、出口汇聚通槽连通的总进口、总出口以及贯穿电极通道板和通道辅助板的正极接口、负极接口。

具体地，所述电极通道板上正极和负极所在区域分别设有正极接口、负极接口以及分别与总进口、总出口连通的进口通孔、出口通孔；正极和负极的相向侧分别延伸出间隔排列的正极微齿状细条和负极微齿状细条，两种细条之间的空隙构成微米级流体微通道。

具体地，所述通道辅助板上还设有正极接口、负极接口，且总进口、进口分配通槽、进口通孔形成贯通；总出口、出口汇聚通槽、出口通孔形成贯通；通道辅助板底面位于进口分配通槽、出口汇聚通槽附近分别延伸有与流体微通道连通的进口分配辅助沟槽、出口汇聚辅助沟槽。

本发明的电化学微通道反应器的使用原理为：在正极接口和负极接口内分别插入铜导电条，并注入导电密封胶固定；铜导电条分别接直流电源正极和负极。反应液依次流经盖板的总进口、通道辅助板的进口分配通槽（为途径通道辅助板，非目标通道辅助板）、电极通道板的进口通孔后，最终先后通过目标通道辅助板的进口分配通槽、进口分配辅助沟槽流至各电极通道板的各条流体微通道的正极端，流经流体微通道到达负极端后，又依次顺着目标通道辅助板的出口汇聚辅助沟槽、出口汇聚通槽、电极通道板的出口通孔、通道辅助板的出口汇聚通槽（为途径通道辅助板，非目标通道辅助板）从盖板的总出口流出反应器。当该电化学微通道反应器工作时，需在正负极分别接上直接电源的正极和负极，调整电压至合适大小，此时反应液在正负电极组成的流体微通道中流过，即电极间通过反应液来进行电子转移，利用极小的电极间距，实现快速的自由基中间体转移，使流体的放电间隙足够小，从而极大地提高反应速率。同时优化后的流体微通道路径较短，尤其适用于高通量且反应速度较快的反应。此外，本发明的电化学微通道反应器结构紧凑、设计合理，装配简单，并且内部电极通道板数量可按通量需求调整，且易放大，实用性强。

作为优选，所述电极通道板上进口通孔和出口通孔的数量分别为多个且分别沿进口分配通槽、出口汇聚通槽的长度方向均匀排列。

作为优选，所述底座上表面设有用于容纳反应芯片的芯片腔。

作为优选，所述底座的芯片腔底部和反应芯片之间设有用于找平的下垫片。

作为优选，所述电极通道板和通道辅助板数量分别为1-50片。

本发明中电极通道板和通道辅助板为可拆卸式。在装配反应器时，按通量要求调整数量。

作为优选，所述正极微齿状细条和负极微齿状细条的数量分别为10-100条，宽度分别为20-500微米。

正极微齿状细条和负极微齿状细条的数量可根据反应速率和通量调整。

作为优选，所述流体微通道的宽度为10-500微米。

流体微通道的宽度可通过调节正极微齿状细条和负极微齿状细条间隙来实现，可控性强。

作为优选，所述正极微齿状细条和负极微齿状细条平行排列。

作为优选，所述电极通道板上设有围绕正极和负极的环形沟槽。

本发明在电极周围设计有环形沟槽可使正负极断开绝缘。

作为优选，所述正极微齿状细条和负极微齿状细条上设有若干相向且交错排布的梳齿状分支。

为了进一步提升反应效率，本发明在正极微齿状细条和负极微齿状细条上设计了若干梳齿状分支，这些梳齿状分支的存在能够适当增加反应路径长度。

进一步优选，所述正极微齿状细条和负极微齿状细条上的梳齿状分支的间距相等，或沿流体微通道方向连续性或不连续性递增。

针对不同类型的反应，本发明分别给出了不同的梳齿状分支间距设计。其中，对于反应液黏度低、流动性好的反应类型，可将相邻梳齿状分支的间距设计得较小。而对于反应液黏度较高、流动性稍差的反应类型，或者是反应中容易产生细微颗粒的反应类型，为避免造成流体微通道堵塞，可差异化设计梳齿状分支的间距，例如可按流向使每条正极微齿状细条/负极微齿状细条上的梳齿状分支间距逐渐增大（优点在于随着反应的进行，反应液黏度逐渐增大或者细微颗粒逐渐累积，因此需要适当增大梳齿状分支间距以降低流体的折流频率和减少细微颗粒的沉积死角）。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：

（1）本发明通过电极结构优化，可缩小正负极间距，从而极大地提高反应速率。

（2）本发明化学微通道反应器的流体微通道路径较短，尤其适用于高通量且反应速度较快的反应。

（3）本发明的电化学微通道反应器内部通道辅助板和电极通道板数量可按通量需求调整，灵活性强。

（4）针对不同类型的反应，本发明分别给出了不同的梳齿状分支间距设计，可进一步提升反应效率，同时可避免造成流体微通道堵塞。

（5）本发明的电化学微通道反应器结构紧凑、设计合理，装配简单，易放大，实用性强。

附图说明

图1为本发明一种电化学微通道反应器的爆炸示意图；

图2为本发明一种电化学微通道反应器的外观示意图；

图3为本发明一种电化学微通道反应器的透视示意图；

图4为本发明电化学微通道反应器的一种底座的立体结构示意图；

图5为本发明电化学微通道反应器的一种底座的俯视图；

图6为本发明电化学微通道反应器的一种底座的仰视图；

图7为图3的俯视图；

图8为本发明电化学微通道反应器的一种下垫片的结构示意图；

图9为本发明电化学微通道反应器的一种通道辅助板的立体结构示意图；

图10为本发明电化学微通道反应器的一种通道辅助板的仰视图；

图11为本发明电化学微通道反应器的一种通道辅助板的俯视图；

图12为本发明实施例1中电极通道板的立体结构示意图；

图13为本发明实施例1中电极通道板的俯视图；

图14为本发明实施例1中电极通道板的仰视图；

图15为本发明电化学微通道反应器的一种盖板的立体结构示意图；

图16为本发明电化学微通道反应器的一种盖板的俯视图；

图17为本发明电化学微通道反应器的一种盖板的仰视图；

图18为本发明实施例2中电极通道板的立体结构示意图；

图19为本发明实施例2中电极通道板的俯视图；

图20为本发明实施例2中电极通道板的流体微通道的局部放大示意图；

图21为本发明实施例3中电极通道板的立体结构示意图；

图22为本发明实施例3中电极通道板的俯视图；

图23为本发明实施例3中电极通道板的流体微通道的局部放大示意图。

附图标记为：盖板1，总进口11，总出口12，正极接口13，负极接口14，定位销孔15，固定螺丝孔16，通道辅助板2，进口分配通槽21，出口汇聚通槽22，进口分配辅助沟槽23，出口汇聚辅助沟槽24，电极通道板3，进口通孔31，出口通孔32，正极33，负极34，正极微齿状细条35，负极微齿状细条36，环形沟槽37，梳齿状分支38，下垫片4，底座5，芯片腔51。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

总实施例

一种适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，包括：

底座5；底座上表面设有芯片腔51，以及若干定位销孔15和固定螺丝孔16。

设于底座芯片腔中用于找平芯片腔的下垫片4。

设于底座芯片腔中且堆叠于下垫片之上的反应芯片，包括间隔堆叠的电极通道板3（1-50片）和通道辅助板2（1-50片）；通道辅助板上设有进口分配通槽21、出口汇聚通槽22；电极通道板上沉积有相向的正极33、负极34以及位于正极、负极之间且两端分别与进口分配通槽、出口汇聚通槽连通的微米级流体微通道。具体地，电极通道板上正极和负极所在区域分别设有正极接口、负极接口以及分别与总进口、总出 口连通的若干进口通孔31、若干出口通孔32；正极和负极的相向侧分别延伸出间隔平行排列的正极微齿状细条35（10-100条，宽度20-500微米）和负极微齿状细条36（10-100条，宽度20-500微米），两种细条之间的空隙构成微米级流体微通道（宽度10-500微米）。此外，电极通道板上还设有围绕正极和负极的环形沟槽37。可选地，所述正极微齿状细条和负极微齿状细条上设有若干相向且交错排布的梳齿状分支38，进一步地，每一条正极微齿状细条和负极微齿状细条上的梳齿状分支的间距相等，或沿流体微通道方向连续性或不连续性递增。通道辅助板上还设有正极接口、负极接口，且总进口、进口分配通槽、进口通孔形成贯通；总出口、出口汇聚通槽、出口通孔形成贯通；所有进口通孔和所有出口通孔分别沿进口分配通槽、出口汇聚通槽的长度方向均匀排列。通道辅助板底面位于进口分配通槽、出口汇聚通槽附近分别延伸有与流体微通道连通的进口分配辅助沟槽23、出口汇聚辅助沟槽24。

覆盖于底座上方的盖板1；盖板上设有分别与进口分配通槽、出口汇聚通槽连通的总进口11、总出口12，贯穿电极通道板和通道辅助板的正极接口13、负极接口14，以及用于通过螺丝与底座固定的固定螺丝孔16和用于通过定位销与底座、下垫片、电极通道板和通道辅助板固定的定位销孔15。

本发明电化学微通道反应器中各部件的材质如下：盖板和底座均为PTFE、PFA等绝缘材质中的一种，通道辅助板、下垫片均为陶瓷绝缘材料。电极通道板的基质为陶瓷绝缘材料，电极通过先金属沉积、再掩膜刻蚀的方式制作，金属材料可为铜、铂、铬、金等金属中一种或多种。

实施例1

一种适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，如图1-3所示，包括：

底座5；如图4-7所示，底座上表面中央设有开口的芯片腔51，芯片腔内四个边缘分别设有1个定位销孔15，底座四个边角分别设有1个固定螺丝孔16。

设于底座芯片腔中用于找平芯片腔的下垫片4，如图8所示，下垫片的四个边角分别设有1个定位销孔。

设于底座芯片腔中且堆叠于下垫片之上的反应芯片，包括间隔堆叠的电极通道板3（5片）和通道辅助板2（5片），位于最上方的为通道辅助板。如图9-11所示，通道辅助板上设有进口分配通槽21、出口汇聚通槽22；如图12-14所示，电极通道板上沉积有相向的正极33、负极34以及位于正极、负极之间且两端分别与进口分配通槽、出口汇聚通槽连通的微米级流体微通道。具体地，电极通道板上正极和负极所在区域分别设有正极接口13、负极接口14以及分别与总进口11、总出口12连通的40个进口通孔31（沿进口分配通槽长度方向均匀排列且首尾与进口分配通槽对齐）、40个出口通孔32（沿出口汇聚通槽长度方向均匀排列且首尾与出口汇聚通槽对齐）；正极和负极的相向侧分别延伸出间隔平行排列的正极微齿状细条35（42条，宽度50微米）和负极微齿状细条36（42条，宽度50微米），两种细条之间的空隙构成微米级流体微通道（宽度50微米）。此外，电极通道板上还设有围绕正极和负极的环形沟槽37，环形沟槽的四周各设有1个定位销孔。通道辅助板上还设有正极接口、负极接口，且总进口、进口分配通槽、进口通孔形成贯通；总出口、出口汇聚通槽、出口通孔形成贯通。通道辅助板底面位于进口分配通槽、出口汇聚通槽附近分别延伸有与流体微通道连通的进口分配辅助沟槽23、出口汇聚辅助沟槽24（覆盖于流体微通道上方，长度设计为与流体微通道区域对齐）。

覆盖于底座上方的盖板1；如图15-17所示，盖板上设有分别与进口分配通槽、出口汇聚通槽连通的总进口11、总出口12，贯穿电极通道板和通道辅助板的正极接口13、负极接口14。盖板底面对应反应芯片的位置设有4个定位销孔15，通过定位销与反应芯片、下垫片以及底座实现定位连接，盖板的四个边角各设有1个固定螺丝孔16，通过螺丝与底座固定连接。

本实施例电化学微通道反应器中各部件的材质如下：底座和盖板均为PTFE，下垫片、上垫片均为陶瓷绝缘材料。电极通道板的基体为陶瓷绝缘材料，电极通过先金属铜沉积、再掩膜刻蚀的方式制作。

实施例1电化学微通道反应器的工作原理为：在正极接口和负极接口内分别插入铜导电条，并注入导电密封胶固定；铜导电条分别接直流电源正极和负极。反应液依次流经盖板的总进口、通道辅助板的进口分配通槽（为途径通道辅助板，非目标通道辅助板）、电极通道板的进口通孔后，最终先后通过目标通道辅助板的进口分配通槽、进口分配辅助沟槽流至各电极通道板的各条流体微通道的正极端，流经流体微通道到达负极端后，又依次顺着目标通道辅助板的出口汇聚辅助沟槽、出口汇聚通槽、电极通道板的出口通孔、通道辅助板的出口汇聚通槽（为途径通道辅助板，非目标通道辅助板）从盖板的总出口流出反应器。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：实施例2中通道辅助板2和电极通道板3的数量分别为1片，如图18-20所示，正极微齿状细条34和负极微齿状细条35的宽度为80微米；流体微通道的宽度为80微米。所有正极微齿状细条和负极微齿状细条上分别设有单侧13个（双侧26个）相向且等距交错平行排布的梳齿状分支36。

实施例3

实施例3与实施例2的区别在于：实施例3中通道辅助板2和电极通道板3的数量分别为2片，如图21-23所示，每条正极微齿状细条上的梳齿状分支36的数量为6（单侧），每条负极微齿状细上的梳齿状分支36的数量为7（单侧）。且每条正极微齿状细条和负极微齿状细上相邻的梳齿状分支间距总体沿流体微通道方向（正极至负极）递增。具体为：对于正极微齿状细条，最靠近正极的3个梳齿状分支间距较小，中间2个间距为前3个的2倍，最靠近负极的1个间距为中间间距的2倍；对于负极微齿状细条，最靠近正极的3个梳齿状分支间距较小，中间2个间距为前3个的2倍，最靠近负极的2个间距为中间间距的2倍。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，其特征是：包括：

底座；

设于底座中的反应芯片，包括间隔堆叠的电极通道板和通道辅助板；通道辅助板上设有进口分配通槽、出口汇聚通槽；同一电极通道板上沉积有相向的正极、负极以及位于正极、负极之间且两端分别与进口分配通槽、出口汇聚通槽连通的微米级流体微通道；

覆盖于底座上方的盖板；盖板上设有分别与进口分配通槽、出口汇聚通槽连通的总进口、总出口以及贯穿电极通道板和通道辅助板的正极接口、负极接口；

所述电极通道板上正极和负极所在区域分别设有正极接口、负极接口以及分别与总进口、总出口连通的进口通孔、出口通孔；正极和负极的相向侧分别延伸出间隔排列的正极微齿状细条和负极微齿状细条，两种细条之间的空隙构成微米级流体微通道；

所述通道辅助板上还设有正极接口、负极接口，且总进口、进口分配通槽、进口通孔形成贯通；总出口、出口汇聚通槽、出口通孔形成贯通；通道辅助板底面位于进口分配通槽、出口汇聚通槽附近分别延伸有与流体微通道连通的进口分配辅助沟槽、出口汇聚辅助沟槽。

2.根据权利要求1所述适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，其特征是：所述电极通道板上进口通孔和出口通孔的数量分别为多个且分别沿进口分配通槽、出口汇聚通槽的长度方向均匀排列。

3.根据权利要求1或2所述适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，其特征是：所述底座上表面设有用于容纳反应芯片的芯片腔。

4.根据权利要求3所述适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，其特征是：所述底座的芯片腔底部和反应芯片之间设有用于找平的下垫片。

5.根据权利要求1或2所述的电化学微通道反应器，其特征是：所述通道辅助板和电极通道板的数量分别为1-50片。

6.根据权利要求1或2所述适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，其特征是：所述流体微通道的宽度为10-500微米。

7.根据权利要求1或2所述适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，其特征是：所述电极通道板上位于正极和负极的周围设有环形沟槽。

8.根据权利要求1或2所述适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，其特征是：所述正极微齿状细条和负极微齿状细条上设有若干相向且交错排布的梳齿状分支。

9.根据权利要求8所述适用于高通量快速反应的电化学微通道反应器，其特征是：相邻所述梳齿状分支的间距相等，或沿流体微通道流向增加。