重力助力电化学反应器，冰箱保鲜能力提升3.4倍又省钱！

朋友们，今天一起来了解一项无膜电化学反应器，它通过重力辅助产品自分离实现高效脱氧，在很多领域都有巨大的应用潜力，快跟我一起揭开它的神秘面纱！

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景与挑战

电化学技术在众多领域前景广阔，可它的推广却面临两大难题。一方面，很多电化学反应器依赖昂贵的离子交换膜，成本高还寿命短；另一方面，传统反应器设计复杂，需要辅助设备，维护频繁，不适合小型或面向消费者的应用。

在低氧食品存储中，传统的脱氧方法，像氮气冲洗或膜基气体分离，设备庞大，脱氧效率还低。而电化学技术虽有潜力，但现有的电化学系统同样存在依赖离子交换膜、循环机制复杂、关键部件性能不佳等问题。

二、重力辅助产品自分离反应器（GAPS Reactor）设计

为了解决这些难题，研究团队研发了GAPS Reactor。它利用流体力学原理，借助电极、液体电解质和气相之间的密度差，让氧气气泡快速上升，实现了高达95%的产品自分离，不再需要外部泵送或离子交换膜。

反应器的阳极在阴极上方，阳极产生的氧气气泡能迅速进入电解液，阴极位于底部，采用大面积开放阴极设计，直接与低氧存储环境相连。在这个反应器里，发生的电化学反应为：阴极是氧气得电子生成氢氧根离子，阳极是氢氧根离子失电子产生氧气，总反应就是内部氧气转移到外部。

三、集成气体扩散电极（GDE）的研发

阴极在反应器中起着关键作用，要承受高压、高效催化反应并保证10年使用寿命，所以研发高性能的GDE至关重要。研究人员先合成了高效且低成本的（Fe,Co）/N–C双单原子催化剂，然后优化GDE结构。

传统的碳纸基GDE在机械强度和长期稳定性方面存在很大问题，经过改进，新的GDE通过均匀分布PTFE、添加碳纳米管和碳酸氢铵等，在导电性、气体渗透性、机械强度和电化学稳定性等方面都有显著提升。

四、反应器性能评估与优化

在评估EOR系统时，理论电化学速率（TER）和产品分离效率（PSE）是关键指标。研究人员通过实验和模拟分析了阳极-阴极间距对这两个指标的影响。

间距太大会降低反应速率，太小又会增加氧气回扩散的风险。综合考虑，3mm的阳极-阴极间距是最优选择，此时反应器的电流密度较高，氧气去除速率最快，分离效率也能达到95%左右。

此外，采用大面积开放阴极设计，扩大电极面积，有效克服了无循环系统的限制，降低了能耗，经过长期稳定性测试和寿命预测，这个反应器完全能满足冰箱应用的需求。

五、两电池串联反应器的应用与优势

为了适应冰箱的实际情况，研究团队提出了串联阳极-阴极集成策略，将两个50cm²的集成GDE集成到两电池串联的反应器中进行测试。实验结果令人惊喜，在实际冰箱条件下，这个反应器能在155分钟内将20L存储抽屉内的氧气浓度降至10%，功耗低于12W，而且非常安全，在各种测试中都表现出了卓越的稳定性和适应性。用这个反应器保存生菜，保鲜效果远超传统冰箱，维生素C的损失率也低很多。

六、经济可行性分析

最后来看看经济方面的情况。与传统的基于离子交换膜的电化学脱氧反应器相比，GAPSReactor优势明显。同样的电极面积，传统反应器成本高达433.1美元，而GAPS Reactor仅需7.411美元。

虽然传统反应器的脱氧速率稍高，但按成本归一化后，GAPS Reactor的性价比远超传统反应器，而且它几乎不需要维护，使用寿命长达10年，在能耗方面也更有优势，这使得它在中高端冰箱以及其他低氧应用领域都极具商业潜力。

七、一起来做做题吧

参考文献：

Li, P., et al. A membrane-free electrochemical reactor for efficient oxygen removal via gravity-assisted product self-separation. Nat Commun 16, 4309 (2025).