《Lab on a Chip》：Microfluidic tools for electrochemical energy storage and conversion: advances, applications, and research opportunities
引言
全球日益增长的能源需求正推动能源结构向可再生能源转型。这一转变不仅源于化石燃料燃烧带来的环境问题，也受到联合国设定的国际可持续发展目标的影响。随着各国持续应对气候变化并在2050年前实现碳中和，太阳能和风能等可再生能源的并网获得了更多关注且投资急剧增加。尽管太阳能和风能是清洁、可再生且丰富的能源形式，但它们会因天气条件和一天中的时间而波动，这就需要将剩余能量以可随时调度的形式储存起来，优选可扩展且适于分布式及大容量、长距离运输的方法。电化学储能与转换系统在应对这些挑战方面扮演着关键角色。这些系统通过储存峰值生产时段产生的剩余能量，并在高需求时期释放，确保持续的能源供应以支持居民和工业需求，从而保证能源供需平衡。
电化学储能与转换系统通过氧化还原反应将化学能转化为电能。这些系统可分为两类：原电池和电解池。原电池可通过自发的氧化还原反应将化学能转化为电能（例如，电池、燃料电池），而电解池则需要电能来驱动非自发的氧化还原反应（例如，氧化还原液流电池、水电解）。目前已开发出种类丰富的电化学池设备，应用于电池、电容器、燃料电池、电解槽、太阳能电池、水处理等多种技术。常见应用包括便携式电子产品、电动汽车、电网稳定措施、氢气生产以及固定式电力系统等。
尽管具有诸多优势，电化学储能与转换技术也面临技术局限性和性能改进的需求。主要挑战包括能量密度低、循环寿命有限和成本效益问题。电池系统仍受限于有限的寿命、低效率和高生产成本，而燃料电池和电解槽则面临耐久性差以及贵金属催化剂等材料和组件成本高的问题。解决这些局限性对于提高这些系统的成本效益至关重要，从而推动清洁和可再生能源系统的广泛采用，促进可持续社会的进步。
为了进一步推进电化学能量转换与存储的材料、器件和技术发展，微流控池正成为电化学系统应用中潜在的分析工具和测试平台，为研发提供了一种经济高效且便捷的实验室规模方法。通过实现在微尺度上操纵流体和传质，可以获得受控环境，这对于进行详细的电化学界面分析和评估至关重要。这种微调各种参数的能力使得微流控池特别适合于研究电池、燃料电池、电解槽等系统中的复杂电化学现象。
电化学能量转换和存储系统可以从微流控技术中获益的研究机遇和应用众多。一个关键应用是利用微流控池作为分析工具来研究电化学反应并阐明如动力学和传质等复杂机制，这些机制会影响系统整体性能，并可通过精细的实验控制来解决。因此，理解这些机制对于识别限制因素和设计改进的材料及解决方案至关重要，从而可导向优化的电池设计和更坚固耐用的设备。此外，微流控系统可促进催化剂材料的筛选和制备，从而减少评估时间并提高催化剂产量。而且，微流控系统可用于评估新的电池设计和电池条件，以解决传质限制、提高燃料利用率、增强反应效率并最小化损失，从而有助于开发性能更优的能源解决方案。
已有大量综述文章发表，旨在评估和展示微流控器件在不同领域和应用中的使用，例如细胞培养、药物研究、化学分析、水质监测、食品工程等。对于电化学储能系统，至今也已发表了一些综述文章，其范围通常集中在微流控池设计和性能优化上，但很少或没有关注微流控器件作为分析工具在推动储能和转换系统发展方面的应用，尽管这可以开辟具有更广泛实用性的新研究视角和机遇。
因此，本综述文章旨在全面探讨采用微流控池作为电化学储能与转换系统开发分析工具的潜力。本文总结了近期进展，并审视了储能系统可从微流控池使用中获益的研究潜力。还讨论了微流控技术对开发下一代储能和转换解决方案的影响，展示了在材料和组件评估、筛选、合成、设计和优化方面的一些关键应用。贯穿全文，我们的目标是阐明微流控系统如何能成为一种重要的分析工具，从而更深入地理解这些系统中的复杂电化学过程和界面现象，并为实现和采用更可持续、更高效的能源系统做出贡献，塑造一个更清洁的能源未来。
基础
微流控
微流控系统
微流控是一个多学科领域，专注于在微尺度（通常是在直径小于一毫米的通道内）上操纵和控制流体。该技术已成为分析化学、生物化学和生物医学工程领域的一项重大进步。它促进了被称为微流控芯片或芯片实验室系统的小型化器件的发展。这些器件可应用于各种化学和生物分析，具有高精度和高效率。
微流控的基本原理基于流体在小通道中的行为，其中表面张力、毛细管作用和层流等效应主导于惯性力和湍流。在微尺度下，粘性力的影响增加，导致层流条件，流体层可以平行流动而不混合。这一特性允许精确控制流体运动和相关传质，从而为反应和分析创造受控环境，这对于用于储能和转换应用的微流控池至关重要。各种物理和电化学原理，包括传质（扩散、迁移和对流）和反应动力学，支配着流体在微通道内的相互作用。这些原理对于设计和优化拟用作分析工具的微流控器件非常重要。
微流控系统的优势
采用微流控系统因其与微尺度特性相关的内在优势而获得更多关注。微流控系统最重要的优势之一是实验器件设计和原型制作的灵活性，其小型特征可根据应用需求进行修改，包括变化的通道几何形状、流动路径、基底材料、电极配置等。微流控用于储能系统的另一个重要优势是，微流控池可以设计成无膜操作，这不仅消除了额外组件的使用并降低了操作成本，还避免了与渗透、膜降解和污染相关的问题，在某些情况下也避免了水管理问题。通过消除膜，这些微流控池能够直接关注电极和电解质的评估，允许对这些组件特有的传输机制进行 distinct 观察。这一优势是本综述后面讨论的无膜微流控池配置的核心。
与传统方法相比，微尺度设计带来的另一个优势是样品体积的减少，这可以有效减少试剂消耗并减少废物产生。因此，微流控器件能够以微升体积进行实验的能力在样品昂贵或稀缺的场景（如临床研究或生物医学诊断）中非常有用。除了材料操作成本外，小样品体积也减少了材料浪费，有助于创建更环保的实验室评估程序。此外，减少样品尺寸使得评估稀有或昂贵材料成为可能，这在燃料电池和电解槽等广泛应用贵金属催化剂材料的应用中非常有用。这使得研究人员能够以少量贵重材料进行实验测试，无需更多资源密集型的样品来评估和筛选基于其性能和特性的催化剂材料。
另一个理想的优势是控制和调节微流控池环境及反应条件的能力，这对于理解电化学动力学和传质损失机制至关重要。小的微通道能够实现快速活化和反应动力学，从而增强反应效率并加速分析。研究人员可以在微流控池内调节实验条件，如反应物组成和浓度、流速、传质速率、温度、相对湿度和pH值，并实时分析由变量操纵引起的系统性能变化，以建立性能敏感性。在此背景下，理解测试条件对电极和电池性能的影响对于最大化液流电池、燃料电池和电解槽的性能和耐久性至关重要。这一优势在需要特定化学和物理特性的微环境的应用中尤其有价值，例如药物筛选、细胞培养和蛋白质生物物理学。对于电化学系统，使用具有受控环境的微流控系统有利于催化剂纳米材料的合成，其中催化剂尺寸和形态可通过反应条件的策略性调整来调节。
微流控池的独特优势之一是其能够按比例缩小并提供巨大的设计灵活性，使得能够在与电化学能量转换系统相关的多个长度尺度上进行受控实验。这些系统涉及从纳米尺度（例如，电催化反应）到电网级存储的米尺度的过程，而微流控技术为纳米尺度和微尺度研究提供了强大的桥梁。在纳米级别，微流控池作为多功能平台用于催化剂筛选、研究复杂催化过程以及通过精确调节操作条件（如流动模式、化学梯度和电解质组成）来识别副反应，这些条件直接影响电催化剂性能。在微尺度上，微流控池为电荷转移动力学、离子扩散和其他传输现象提供了宝贵的见解。从这些受控研究中获得的知识在许多情况下可以转化到放大系统中，例如，理解流速、电解质浓度和温度如何影响整体电化学性能。
通过将微流控器件与其他技术集成，实现实时监测和瞬时反馈电化学性能也是可能的，当电化学工具与物理化学、成像和光谱学表征工具结合时，可提供更广泛的多方面分析。这对于监测系统条件变化可提供系统性能损失和退化重要信息的应用至关重要。用于性能评估和反馈的实时监测和数据提取使得能够基于敏感性分析制定性能改进策略。此外，通过将微流控技术与额外的光学成像技术结合，可以进行原位和操作中评估。因此，可以检测、量化并减轻副反应，例如气体析出，从而增加了在副反应会降低系统性能和寿命的电池和燃料电池应用中的实用性。
微流控池的挑战
尽管微流控池为研究电化学能源系统提供了许多优势，但在将见解转化到更大规模应用时必须考虑若干挑战。一个关键限制是微流控器件可能无法捕捉在放大系统中更为明显的空间异质性，例如不均匀的反应物分布、电极活性的局部变化以及大规模的电解质和温度梯度。现象如反应物匮乏、热点、不均匀的反应速率和不均匀的电极性质（例如，局部疏水性）在实际系统中会显著影响性能，但在微流控池的受控环境中可能不存在或最小化。流动行为也有所不同，层流在微流控通道中占主导地位，而大型系统通常呈现湍流状态，引入了额外的传输复杂性。此外，许多微流控研究中使用的简化设计，特别是在无膜配置中，省去了隔膜或膜等组件，这些组件在大型系统中会影响重要的现象，如混合、渗透和膜降解。虽然这些差异可能限制直接的可扩展性，但从微流控研究中获得的机理见解仍然有价值，不仅可为大型系统设计的某些方面提供信息，还可用于优化其他小尺度器件，如微流控燃料电池和电池。
微流控池类型
微流控池设计可分为两组：连续流或分段流。每种类型的池提供独特的优势，要么用于电化学评估，要么用于纳米材料制造，这将进一步讨论。虽然连续流池主要因其受控的实验条件而被使用，使其适用于详细的电化学研究，但分段流器件为纳米材料的合成提供了高通量能力，减少了制造时间并提高了催化剂产量。因此，选择哪种系统可用于特定应用取决于其性质和研究目标。
连续流池通常以其平滑的流体流动而闻名。就微流控池而言，其小尺寸意味着粘性力超过惯性力，这确保了在雷诺数（Re）低于2000时可预测的层流。通常，微流控池在斯托克斯流 regime（Re < 1）下运行，也称为蠕流。佩克莱特数（表示对流与扩散传质的比率）通常保持远大于一，以便控制扩散混合。层流池通常由使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料制造的流动通道组成。电极根据池设计和电极配置放置在池的底部或沿通道壁。通过使反应物连续流过电极表面，可以以系统化和定量的方法评估电化学性能。
层流相对于液滴系统的主要优势是能够产生稳定的反应物梯度，并减少对流混合。这一优势在反应动力学、传质和电荷转移评估中至关重要。层流池广泛应用于使用循环伏安法、电化学阻抗谱和计时电流法等电化学技术的实验中。主要应用包括电化学反应评估、催化反应研究以及新型电极材料筛选等。
分段流微流控系统为纳米材料制造提供了一种替代方法，通过将试剂封装在通常为油相的载流体内的小液滴中。在此类系统中，液滴充当独立的微反应器，环境条件可调节以获得期望的输出。通过调节合成条件，研究人员可以研究它们对催化剂尺寸和形态的影响。此外，分段流系统为合成使用传统方法无法合成的复杂结构创造了机会。因此，这些系统实现了以更快、更高效的方式生产催化剂材料的创新方法，拓宽了催化剂材料在电化学储能器件中的应用。
电化学
电池电位
电化学池是通过在电极-电解质界面发生电化学反应将化学能转化为电能，或反之亦然的装置。典型的电化学池由两个电极（电子导体）、一个电解质（离子导体）和一个外部负载电路作为主要组件组成。该系统可分为两个半电池，其中发生氧化（反应物失去电子）和还原（反应物获得电子）反应，电子在阳极（发生氧化的电极）和阴极（发生还原的电极）处的化学物种之间转移。这些反应可写为：
负半电池：Am+? Am++ xe-(1)
正半电池：Bn++ xe-? B(n-x)+(2)
电池电位（E）是阴极和阳极电极电位之差，表示氧化还原过程的驱动力和自发性。能斯特方程用于基于两个半电池反应及其操作条件预测电池电位。能斯特方程可表示为：
E = E0- (RT/nF) ln( Π(aivi) ) (3)
其中E0是标准电池电位，R是通用气体常数，T是电池温度，n是反应中涉及的电子数，F是法拉第常数。在方程中，a指的是每个物种的活度，vi指的是其相应的化学计量系数。
电极-电解质界面的界面相互作用影响电荷转移过程和电极反应的动力学。因此，不同的损耗可能源于界面现象。为此，我们考虑过电位（η），即理论可逆电位与驱动反应所需的实际电位之间的差值。电化学池的主要过电位归因于开路电压（OCV）、活化、浓差和欧姆损耗，其中阳极和阴极电极都对活化和浓差损耗有贡献，而电解质是欧姆损耗的主要贡献者。各种过电位贡献的总和可以数学表示为：
η = ηx+ ηact+ ηohm+ ηconc(4)
其中ηx代表由寄生损耗（渗透、短路、杂质等）引起的OCV过电位，ηact代表与反应发生所需能垒相关的活化过电位，ηohm是与电解质和电极中的电阻损耗相关的欧姆过电位，ηconc是与电极表面附近反应物和产物浓度梯度相关的浓差过电位。
动力学
理解电化学系统中的反应动力学及相关活化过电位机制对于提高器件性能和效率至关重要。动力学分析检查电化学反应速率、其反应机制以及各种因素（如反应物浓度、温度以及电极表面的物理和化学性质）如何影响它们。动力学在电化学池的整体效率中起着至关重要的作用，因为电极-电解质界面处的电子转移速率依赖于这些反应的速率。还必须探讨传质限制和电荷转移电阻的影响，因为它们显著影响动力学速率。
塔菲尔和巴特勒-沃尔默方程经常出现在电极动力学评估的文献中。巴特勒-沃尔默方程源自活化过电位和电流密度之间的关系：
j = j0{ (cRs/cRb) exp[αnFηact/(RT)] - (cOs/cOb) exp[-(1-α)nFηact/(RT)] } (5)
其中j代表反应电流密度，j0是交换电流密度，α是电荷转移系数，cs表示电极表面的物种浓度，cb指本体溶液中的相应浓度（对于产物和反应物）。在研究电极动力学时，考虑任何浓度梯度并保持恒定的表面和本体浓度非常重要。实现此目的的一种方法是通过混合溶液来最小化传质限制，使得传质速率超过反应速率，这允许使用巴特勒-沃尔默方程的简化版本。或者，微流控系统可以利用微通道减少传质限制并控制反应物供应速率。由于其对反应环境的精确控制以及调节影响动力学反应的关键测试参数的能力，微流控池可以成为动力学评估的强大分析工具。微流控通道的小尺寸增强了传质并减少了扩散路径，允许更快的响应时间。因此，可以分析快速的电化学反应，这可能难以在传统的表征工具和设置（如静态三电极池）中进行研究。可以从微流控池动力学数据中提取有用的见解，从而改善电池性能和催化剂效率，以及电极设计。在文献中，已绘制塔菲尔曲线，并研究了电极材料和不同氧化还原化学的动力学参数，以了解性能迟缓的限制因素。
传质
另一个可能影响系统性能的重要因素是传质。电化学池中的传质机制涉及反应物从本体供应到电极表面的移动以及产物从表面移走。确保高效的传质对于维持反应物和产物的最佳浓度至关重要，以便电化学反应能够以高速率和低过电位进行。传质限制，如反应物供应、单相扩散，以及在某些系统中的液态水淹没或气泡积聚，可能导致浓度梯度、更高的过电位和降低的整体系统性能。电化学池中的三种主要传输机制是扩散、迁移和对流。
扩散定义为反应物的自发运动，由物种的浓度梯度驱动。菲克第一扩散定律指出，物种的通量（J）与浓度梯度（?c）成正比：
J = -D?c (7)
其中D是扩散系数。这种关系表明物种将从高浓度区域移动到低浓度区域，从而试图平衡和减轻浓度差异。菲克第二定律预测不同物种的浓度如何随时间变化：
?c/?t = D ?2c (8)
对流是由于外力作用于流体（泵、鼓风机、搅拌器、重力、压力梯度等）引起的整体流体运动发生的。对流是一个需要考虑的重要因素，因为它可以通过减少浓度梯度和促进反应物更均匀分布来显著增强系统中的传质。它可以使用能斯特-普朗克方程来描述，该方程也考虑了扩散和迁移，迁移定义为带电物种在电场影响下的运动。这个方程结合了所有三种机制。它可以表示为：
Ji= -Di?ci- ziuiF ci?Φ + civ (9)
其中z是离子的电荷态，v是速度，?Φ代表电场梯度。
微流控器件的优势之一是可能控制和改变反应物流动条件并观察对电化学性能的 resulting 影响，这有助于识别和理解传质限制。微流控池设计结合精确的流量控制，对于减轻传统系统设计中的传质限制至关重要。通过实现局部对流传质、短扩散距离和高表面积体积比，微流控池显著改善了传输机制。由微流控池分析提供的对传质机制的更好理解可以导致电化学器件设计和功能的显著改进。一些策略包括基于重要特性（如润湿性、孔隙率等）开发新型电极材料和优化电解质配方（粘度、浓度）。因此，微流控系统有利于推进电化学系统内有效传质策略的研究和应用。
微流控池在储能系统中的应用
由于其小规模优势和可用于理解不同机制的血流控制，微流控系统具有许多储能系统可从中受益的应用。这里，我们探讨微流控池在电化学系统中的应用，作为分析设备，可以推动和加速现有储能器件的开发和优化，重点关注六个主要领域：电化学分析、材料筛选、纳米材料制造、界面现象表征、电池设计以及建模和模拟。
电化学分析
微流控技术促进了电化学过程的实时控制和监测，使研究人员能够收集详细的动力学数据，这有助于理解储能和转换的机制。微流控池可以成为传统方法（例如，静态三电极池）的替代解决方案，以运行电化学诊断技术，如循环伏安法（CV）研究可逆性和动力学，塔菲尔分析提取动力学参数，或电化学阻抗谱（EIS）评估动力学和传质参数。为此，已提出包含传统三电极配置的微流控池设计，以便可以准确进行电化学评估。三个电极是：工作电极，主要电化学反应发生的地方；对电极，电流流过以闭合电路；和参比电极，在实验期间提供稳定且已知的电位。三个电极中的每一个必须与相同的电解质接口，以便于电化学池操作和诊断，通常在流经微流控通道网络的情况下进行。在文献中，许多微流控池已被提出作为分析工具，用于各种储能和转换系统中的电化学性质评估。
Lee等人制造了一个流穿式微流控燃料电池，在微流控通道网络内包含多孔电极，使用两个电解质流动入口和一个出口，用于钒氧化还原反应的电化学分析。在提出的无膜和无催化剂的三电极池配置中，分析了三个碳电极作为工作电极（石墨棒、碳纸和憎水碳纸），而石墨板用作对电极，饱和甘汞电极用作参比电极。他们使用V（II）和V（V）钒氧化还原电解质进行电化学测量，用于常规电化学技术，如EIS、塔菲尔和CV。通过运行这些测量，他们能够提取重要的电化学性质，如净电阻率、动力学速率、电荷转移系数和扩散系数。首先，EIS用于基于奈奎斯特图（基于频率响应的半圆曲线）估算使用V（V）电解质的欧姆池电阻。第一个实轴截距被称为组合欧姆池电阻（Rs），它解释了接触、溶液和电极电阻。在固定条件（电解质浓度、电极尺寸和电连接）下，电极电阻（Rnet）可以通过从Rs中减去接触电阻和溶液电阻来计算。塔菲尔分析用于提取V（II）和V（V）电解质的动力学参数。使用IR补偿解耦动力学和欧姆过电位，以便可以评估两种电解质的参数，如交换电流密度和电荷转移系数。这些参数基于获得的塔菲尔曲线的y截距和斜率计算。速率常数（k0）也从测量数据计算。最后，CV用于基于它们各自的峰值电位研究V（II）/V（III）和V（IV）/V（V）氧化还原电对的可逆性，并且扩散系数从伏安图的峰值电位和峰值电流强度计算。电池极化曲线也通过实验获得，并与作者提出的模型的数值模拟结果一致。
Goulet等人使用通过软光刻在PDMS中制造的流穿式多孔电极微流控池测量电化学反应动力学。提出的池包含一个具有单个入口和单个出口用于电解质流动的直微流控通道和三个电极：碳纸（工作和对抗）和饱和甘汞电极（参比）。对于电化学测量，使用注射泵将V（II）/V（III）或V（IV）/V（V）氧化还原电解质泵入池中，并由出口处的另一个注射泵移除。进行电化学分析以理解动力学参数，使用塔菲尔曲线和EIS测量。从塔菲尔曲线提取碳纸电极上两种钒电解质的交换电流密度和速率常数，并比较结果。结果表明，负极上的V（II）/V（III）反应是缓慢反应，其速率常数比V（IV）/V（V）氧化还原电对低两个数量级，因此是钒氧化还原液流电池的限制反应。注意，Goulet等人提出的微流控池设计解决了从Lee等人先前设计的池中观察到的传质效应，表明搅拌溶液对于补充电极表面的反应物无效。
Ingdal还提出了一个用于电化学反应评估的微流控流动池，使用四电极池配置，具有两个工作电极（工作和工作感应）。提出的池使用光刻制造，并使用不同的工作和对抗电极，如金-铂、钛-铂和碘涂层铂电极，以及外部可逆氢参比电极。研究了两种氧化还原电对，即亚铁氰化物/铁氰化物和六氨合钌（II/III），并进行了CV和EIS测量以评估反应的可逆性。然而，EIS分析受到开路电位波动的低再现性的限制。M?inichen使用类似的微流控流动池进行电化学反应研究，基于Ingdal提出的相同外部氢参比电极和铂电极池设计。虽然Ingdal关注电极组成和参比电极位置及其对电化学测量的影响，但M?inichen关注电极厚度和流动通道高度的影响，使用六氨合钌（II/III）氧化还原电对在硫酸支持电解质中。获得的CV和EIS测量提供了关于流速、扫描速率和电解质中氧含量对电化学性能影响的有用信息。其他例子包括用于低电流电化学检测的三电极微流控池，能够基于CV结果评估动力学和可逆性参数，以及具有集成钯-氢化物（PdH）参比电极的微流控池，用于高达4 mA cm-2的高电流密度实验，能够表征电化学性能。
微流控池也可以与其他表征工具结合应用，以提供更广泛的评估。Jhong等人将原位微流控池实验的结果与非原位微X射线计算机断层扫描（MicroCT）图像相结合，以理解燃料电池电极的物理性质与电化学性能之间的相关性。虽然极化曲线是从使用提出的微流控池的电化学测量中提取的，但GDL结构分析（层厚度、内部结构和界面）是基于MicroCT图像进行的。通过结合这两种技术，他们能够阐明燃料电池性能与电极压缩之间的相关性。Shyu和Huang使用他们提出的过氧化氢微流控池研究和观察了电极表面的气体析出。通过分析极化曲线，他们能够通过改变微通道宽度和体积流速来评估气泡对系统性能的影响。评估了电流密度和欧姆损耗特性以进行性能比较。除了诊断电化学性能外，他们还使用高速摄像机可视化了微流控池中的气泡形成，显示了将微流控池与成像技术结合用于气体析出评估的优势。
微流控池也被用于表征电催化剂活性。Dumitrescu等人提出了一个用于检查电催化剂材料动力学性质的微流控池。提出的器件由两个包裹在PDMS微通道内的热解光刻胶碳（PPC）微带组成，采用三电极配置，其中PPC微带用作工作电极，金丝作为对电极，Hg/Hg2SO4电极作为参比电极。对于电化学测量，使用在水性KNO3中的二茂铁甲醇（FcMeOH）作为电解质，并评估了不同的电化学参数，如极限电流密度、收集效率、速率常数和传质系数。还使用CV和线性扫描伏安法（LSV）技术对Pt电极上的氧还原反应（ORR）进行了电化学动力学评估，并与旋转环盘电极（RRDE）结果进行了比较。结果表明，提出的微流控池相对于传统旋转盘电极提供了几个优势，例如更高的收集效率（97%）、更宽的传质系数范围（高达0.5 cm s-1）、更宽的温度操作窗口（高达70°C）和减少的样品制备。Fanavoll使用六电极微流控池研究甲酸和甲醛在钯上的氧化。为此，使用四个100 μm工作电极、一个500 μm对电极和一个1 mm PdH薄膜参比电极制造了一个PDMS微流控池。使用H2SO4和HClO4作为电解质来评估Pd和Pt工作电极并理解它们的催化活性。研究了与氢吸附/脱附以及铂和钯氧化物形成相关的峰。电化学活性表面积（ECSA）也基于表面电荷计算。Brushett等人提出了一个碱性微流控H2O2池作为催化剂和电极表征的平台。使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚四氟乙烯（PTFE）制造了一个模块化微流控燃料电池，其中使用Pt/C或Ag/C作为阴极，而Pt/C用作阳极。提出的设计具有循环碱性电解质，以促进长期电极耐久性研究。作者使用此设置评估各种参数的影响，如PTFE重量百分比以及Ag和Pt对燃料电池性能的催化作用。进行极化曲线和EIS测量以理解动力学和传质参数。阐明了PTFE量与 flooding 之间的相关性及其对动力学和传质的影响。还使用提出的微流控池研究了归因于氧还原活性的阴极电位损耗，并建议对长期碳酸盐形成和腐蚀介质对电极性能的影响进行进一步工作。
如上所述研究所示，微流控池显示出作为广泛电化学系统分析工具的强大潜力，为电极和电解质行为提供了宝贵的见解。它们结合受控流体流动和系统改变电解质参数（速度、浓度、温度等）的能力使得能够对不同材料和化学的动力学和传质限制进行详细评估。通过缩小复杂系统，微流控池允许比传统方法更快、更受控和成本效益更高的实验，同时能够更真实地研究在传统表征工具中经常被过度简化的传输现象。
材料筛选
研究人员使用微流控技术进行储能系统中的材料筛选，因为它提供了一种系统的方法来加速新材料的发现和优化，这对于提高电池、燃料电池和其他电化学储能与转换系统的性能和效率至关重要。微流控池能够快速生成关于不同材料组成如何响应各种电化学条件的数据，使研究人员能够迅速识别储能应用的最佳候选材料。许多关于催化剂材料的研究已被报道，这些研究利用先前讨论的一些微流控池设计作为分析工具，现在专注于材料筛选。
Ahmad等人研究了低负载量负载型Pt/Ru和Pt在XC-72R电极上的性能在微流控直接甲醇燃料电池中的影响。他们的研究旨在使用小活性面积和低催化剂负载量提高池效率和功率输出。使用制造的微流控池，他们能够将催化剂负载量与池性能相关联，并确定阳极和阴极两侧的最佳催化剂负载量。基于峰值功率密度曲线的结果，他们展示了一个与文献中其他池相比具有高功率密度的微流控池。Huo等人研究了碳纳米管（CNTs）辅助铂纳米颗粒作为催化剂材料，使用Y通道微流控直接甲醇燃料电池，以及催化剂层材料和沉积方法对微流控池性能的影响。为此，他们比较了不同Pt/CNTs涂层电极和纯Pt电极的性能，旨在突出使用CNTs作为载体的优势。CV结果证实了CNTs负载电极的ECSA增强，这也通过增加的峰值功率密度验证了池性能的改善。因此，这项研究显示了使用微流控池进行基于催化剂材料和载体选择的催化剂层优化的机会。Lu和Reddy研究了钴酞菁（CoPc）作为甲醇燃料电池中潜在阴极催化剂的电化学性能。基于提出的催化剂材料的化学和电化学表征，他们评估了催化剂组成和沉积温度之间的相关性及其对电化学性能的影响。根据结果，显示钴增加了甲醇氧化反应的电催化剂活性，并提高了对甲醇中毒的耐受性，这对甲醇燃料电池中使用的常规Pt/C电极可能有益。
Campos-Roldán等人检验了负载在CNTs上的NiO-Ni纳米颗粒作为单元化可再生碱性微流控池电极催化剂的适用性。选择NiO-Ni纳米颗粒是因为它们不需要复杂的合成，并已广泛用作析氢反应（HER）和氢氧化反应（HOR）电催化剂。进行了电化学评估以评估NiO-Ni动力学参数，结果表明电化学性能的改善与Ni（提供氢吸附和解离位点）和NiO（增强Volmer反应速率）的协同效应相关，以及对载体电子性质的修改。最大功率密度和消耗功率密度的电化学性能结果与基准商业材料进行了比较，提出的催化剂组成显示出作为燃料电池和电解槽应用的双功能催化剂的潜在应用。Omosebi和Besser使用常规Pt和Pt/C催化剂层制造并测试了一个膜内微燃料电池。在新型膜内设计中，催化剂层和流动通道都集成到Nafion膜中，这可以导致更低的材料使用、更低的重量和更高的能量密度。在干燥和湿润条件下评估了溅射Pt电极和分散Pt/C薄膜催化剂的池性能。结果表明，在减轻的操作条件（相对湿度）下，溅射Pt电极可以提高功率密度。然而，微流控池受欧
