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
1、电化学技术在广泛应用中面临的主要挑战不包括以下哪一项？
A. 依赖高成本离子交换膜
B. 传统反应器设计复杂
C. 能源效率较低
D. 关键组件性能不足
2、GAPS 反应器能够实现产品自分离主要是利用了什么原理？
A. 电场驱动
B. 密度差异导致的浮力作用
C. 磁场作用
D. 压力差
3、相较于传统碳纸，集成 GDE 的优势不包括以下哪一点？
A. 更高的电导率
B. 2.2 倍的机械强度
C. 30 倍的稳定性
D. 更均匀的 PTFE 分布
4、在评估 GAPS 反应器性能时，以下哪个参数用于表征系统在特定条件下的最大可实现反应速率？
A. 产品分离效率（PSE）
B. 理论电化学速率（TER）
C. 电流密度
D. 氧气去除时间
5、在冰箱应用场景中，GAPS 反应器采用大面积开放阴极设计的主要目的是什么？
A. 增加电极的美观度
B. 补偿气液循环系统的缺失
C. 降低生产成本
D. 提高电极的稳定性
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).