化学品和燃料的电化学合成具有使用可再生电能、反应条件温和、环境友好等优点，在化工行业脱碳方面发挥着重要作用。虽然单个电化学反应取得了显著的成就，电解槽与下游反应器的耦合也应引起人们的重视，因为单个反应器不能够完成更复杂的化学制造。目前的耦合反应主要集中在多个反应器的组装策略上，即通过将电化学合成的物种输送到后续反应器，但这些反应器尚未利用电解的独特性质：电极/电解质界面处生成的高浓度产物/中间体物种。

与传统的耦合系统不同，莱斯大学汪淏田课题组展示了一种界面电化学-化学反应耦合设计，以充分利用电化学中的界面高产物浓度来促进连续的化学反应。

具体而言，以烯烃环氧化反应为模型，研究人员将氧还原反应(ORR)生成过氧化氢(H₂O₂)和随后的乙烯(C₂H₄)环氧化生成乙二醇(EG)集成到一个固体电解质(SE)反应器中。SE电解槽的主室(中间层)填充了SE和TS-1颗粒的混合物，并分别用阴离子交换膜(AEM)和阳离子交换膜(CEM)将阴极和阳极分离。

首先，阴极(炭黑)上发生ORR反应选择性地产生随后通过AEM运输到中间层的HO₂⁻物种；随后HO₂⁻与从阳极室通过CEM和SE粒子(质子导体)运输的质子结合形成H₂O₂，因此在电解过程中，AEM/SE界面具有最高的H₂O₂浓度。同时，通过在ORR电解过程中将乙烯和水共同加入中间室，乙烯可以被界面H₂O₂有效地氧化以产生环氧乙烷(EO)，然后在SE表面上水解形成EG作为最终产物。

为了大致了解所构建的SE反应器中的界面H₂O₂浓度与下游输出浓度(平均体积浓度)的差异，研究人员构建了一个二维(2D) COMSOL模型来绘制催化剂表面附近的H₂O₂浓度分布。结果表明，H₂O₂浓度在左边界处最高，并且在25 mA cm⁻²电流密度下，H₂O₂浓度达到2.06 wt%以上，而通道中的平均浓度约为0.081 wt%，这导致界面浓度比通道中的平均浓度高25倍以上。

这个模拟结果表明，如果能够将后续的环氧化反应限制在催化剂/电解质的界面上，那么偶联反应的整体效率可以大大提高。因此，在不使用任何液体电解质的情况下，该反应器连续运行200 h，EG选择性达到99.7%，H₂O₂利用率达到93%；在电流密度为25 mA cm⁻²下，EG产率为583 μmol h⁻¹，H₂O₂利用率为96%。更重要的是，该集成装置不仅适用于烯烃环氧化反应，而且可以作为一个有效的框架来强化其他电化学反应与反应物浓度敏感的化学反应，避免了电化学反应和化学反应之间通常需要的能量密集型分离或浓缩步骤。

Interfacial Electrochemical-chemical Reaction Coupling for Efficient Olefin Oxidation to Glycols. Joule, 2023. DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.022