使用傅里葉變換紅外成像進(jìn)行高通量篩選

1、223 Volume 1 · Issue 2 · June 2015 Engineering使用傅里葉變換紅外成像進(jìn)行高通量篩選ErdemSasmaz,KathleenMingle,JochenLauterbach *摘要:組合庫(kù)的有效平行篩選是高通量(HT多相催化工作流中最具挑戰(zhàn)性的難題之一。目前,已有包括各種光學(xué)、質(zhì)譜分析以及氣相色譜技術(shù)在內(nèi)的大量方法用于高通量催化劑研究。在這些技術(shù)中,快速掃描傅里葉變換紅外(FTIR成像是最快、最通用的篩選技術(shù)。本文介紹了16通道高通量反應(yīng)器的新設(shè)計(jì),并給出了其準(zhǔn)確性和重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果。該系統(tǒng)的性能,通過(guò)在不同的還原劑還原劑摩爾比、表面

2、活性劑類型、金屬和表面活性劑濃度、合成溫度和升溫速率下合成的商用Pd/Al 2O 3和氧化鈷納米粒子的一氧化碳氧化反應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。關(guān)鍵詞:高通量,傅里葉變換紅外成像,篩選,氧化鈷,一氧化碳氧化1引言一個(gè)世紀(jì)以來(lái),催化劑已對(duì)化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。據(jù)估計(jì),90 %的化學(xué)制品源自催化過(guò)程1,在這些過(guò)程中,約90 %包括多相催化2。盡管有大量的催化工藝,但是,先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)和推廣應(yīng)用從實(shí)驗(yàn)室階段到投入使用通?；ㄙM(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間,一般需要1020年,而且通常要依賴于反復(fù)試驗(yàn)3。高通量實(shí)驗(yàn)(high-throughput experimentation, HTE已經(jīng)被證明能夠加快新型催化劑配方和預(yù)期產(chǎn)品生產(chǎn)

3、線的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展,同時(shí)能夠優(yōu)化反應(yīng)條件。自20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始,高通量實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)被證明能夠通過(guò)快速合成和篩選大型素材庫(kù),提高研究與開(kāi)發(fā)的成功率49。高通量實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛏纱笮蛿?shù)據(jù)集、植入材料屬性和催化活性。但是,對(duì)于材料合成、鑒定和數(shù)據(jù)管理,現(xiàn)有的高通量實(shí)驗(yàn)方法缺乏標(biāo)準(zhǔn)的廣泛適應(yīng)性。2011年,美國(guó)政府啟動(dòng)材料基因組計(jì)劃(Materials Genome Initiative, MGI,意在加速先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和推廣應(yīng)用,同時(shí)降低研究開(kāi)發(fā)成本10。為了提高標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性并積極地影響材料的發(fā)現(xiàn)和商業(yè)化,材料基因組計(jì)劃的目標(biāo)之一就是促進(jìn)高通量實(shí)驗(yàn)工具的共享。通過(guò)為大型庫(kù)創(chuàng)建一個(gè)可搜索的在線數(shù)據(jù)庫(kù)

4、,以及建立具有現(xiàn)場(chǎng)合成、篩選和鑒定能力的高通量實(shí)驗(yàn)中心,使這一目標(biāo)最終得以實(shí)現(xiàn)10。生成一個(gè)通用高通量數(shù)據(jù)庫(kù),需要組合工作流的有效實(shí)施。組合工作流包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、材料合成、材料鑒定以及數(shù)據(jù)收集過(guò)程11。例如,陶氏化學(xué)公司(Dow Chemical Company已經(jīng)通過(guò)數(shù)種自動(dòng)化合成、試驗(yàn)裝置和高通量鑒定工具成功地實(shí)現(xiàn)了高通量工作流。最近的一次研究結(jié)果表明,在丙烷氧化脫氫反應(yīng)中能合成超過(guò)1000種催化劑,這些催化劑的活性已得到了測(cè)試4。將從每個(gè)工作流步驟獲得的數(shù)據(jù)存入一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫(kù),以便有效地篩選材料和加速開(kāi)發(fā)過(guò)程,這非常符合材料基因組計(jì)劃的目標(biāo)4。除建立一個(gè)高效組合工作流以外,可將成功的催化

5、劑評(píng)價(jià)分成一系列步驟,包括對(duì)有應(yīng)用前景的材料的更詳細(xì)研究,對(duì)初步篩選出的材料的更詳細(xì)、更深入研究,以及后續(xù)的大規(guī)模商業(yè)化試驗(yàn)5。對(duì)于軍用噴氣燃料(JP-8至液化石油氣的催化裂化,我們團(tuán)隊(duì)之前已成功地將高通量篩選方法用于確定新型催化劑配方。該方法融合了利用薄膜技術(shù)的快速、定性初級(jí)光屏,使用數(shù)毫克粉狀催化劑的一系列定量屏,以及使SmartState Center for Strategic Approaches to the Generation of Electricity (SAGE, Department of Chemical Engineering, University of Sout

6、h Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA* Correspondence author. E-mail: Received 8 June 2015; received in revised form 26 June 2015; accepted 30 June 2015© The Author(s 2015. Published by Engineering Sciences Press. This is an open access article under the CC BY licens

7、e (/licenses/by/4.0/英文原文:Engineering 2015, 1(2: 234242引用本文:Erdem Sasmaz, Kathleen Mingle, Jochen Lauterbach. High-Throughput Screening Using Fourier-Transform Infrared Imaging. Engineering , DOI 10.15302/J-ENG-2015040Advanced Materials and Materials GenomeArticle ResearchAdv

8、anced Materials and Materials GenomeArticle224Research Engineering Volume 1 · Issue 2 · June 2015 用單一樣本反應(yīng)器對(duì)最佳樣本進(jìn)行的最終驗(yàn)證12。盡管高通量實(shí)驗(yàn)方法已被有效地用于篩選催化劑配方,但是從組合方法的實(shí)施到多相催化的發(fā)展依然是個(gè)挑戰(zhàn),原因在于催化劑材料的動(dòng)態(tài)本質(zhì)。催化劑的性能通常取決于與其結(jié)構(gòu)、組成、合成條件、失活作用相關(guān)的許多參數(shù),以及反應(yīng)物和感興趣產(chǎn)品的黏結(jié)強(qiáng)度1215。這種參數(shù)空間的優(yōu)化可能涉及多達(dá)300萬(wàn)次平行運(yùn)行9。然而,即使使用最先進(jìn)的高通量實(shí)驗(yàn)方法,也不可

9、能完成這么多次平行運(yùn)行。為了縮小催化劑庫(kù)的規(guī)模和破譯參數(shù)空間與催化劑活性之間的定量關(guān)系,人們已經(jīng)提出了隨機(jī)方法和確定性方法。在這些方法中,高通量分析最常用的方法包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment, DOE、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法。這些方法的詳細(xì)內(nèi)容,以及這些方法如何成功地被用于高通量實(shí)驗(yàn),在其他文獻(xiàn)中已有詳細(xì)介紹7, 1622。開(kāi)發(fā)精細(xì)的高通量篩選工具(能夠快速和準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)催化劑活性可以克服與催化劑的動(dòng)態(tài)本質(zhì)和催化劑庫(kù)的大參數(shù)空間相關(guān)的挑戰(zhàn)。這些工具的成功開(kāi)發(fā)通常依賴平行反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、反應(yīng)條件以及分析設(shè)備的能力。迄今為止,大多數(shù)高通量篩選工具依賴光學(xué)、質(zhì)譜和色譜技術(shù)9, 1

10、3, 2325。在下面的章節(jié)中,我們將重點(diǎn)討論其中幾種技術(shù)的詳情。此外,還會(huì)對(duì)我們團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的傅里葉變換紅外成像技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明,并將其與最先進(jìn)的高通量篩選工具進(jìn)行比較。2多相催化篩選方法簡(jiǎn)述用于高通量實(shí)驗(yàn)的光學(xué)篩選技術(shù)包括紅外(infrared, IR熱成像、催化發(fā)光(cataluminescence, CTL、激光感應(yīng)熒光成像(laser-induced fluorescence imaging, LIFI、共振增強(qiáng)多光子電離譜(resonance-enhanced multiphoton ionization, REMPI以及傅里葉變換紅外。根據(jù)催化劑表面散射的輻射能,早期研究已應(yīng)用紅外熱成像

11、來(lái)確定催化劑活性。輻射能對(duì)催化劑表面的溫度非常敏感,這使得檢測(cè)器能夠捕捉到微小的溫度變化。因而,紅外熱成像能夠快速篩選放熱反應(yīng)的催化活性。例如,Olong 等26已經(jīng)使用發(fā)射率校正的紅外熱成像來(lái)篩選用于低溫碳煙氧化的催化劑,并平行地分析了多達(dá)207種催化劑氧化反應(yīng)的相對(duì)熱量。由于碳煙和催化劑之間的親密接觸存在不可預(yù)測(cè)性,通過(guò)諸如熱解重量分析(thermal gravimetric analysis, TGA等傳統(tǒng)技術(shù)可驗(yàn)證從高通量分析所獲數(shù)據(jù)的精確性。結(jié)果表明,Cu 、Ce 、Ag 和Co 催化劑的組合對(duì)高通量和常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的低溫碳煙氧化具有最佳性能26。盡管紅外熱成像在催化活性初步篩選中有快速

12、的響應(yīng)時(shí)間,但還不能確定在反應(yīng)過(guò)程中形成的產(chǎn)品的化學(xué)成分,這阻礙了該技術(shù)的廣泛運(yùn)用2431。同紅外熱成像一樣,催化發(fā)光也已用于篩選放熱反應(yīng),諸如可燃?xì)怏w的催化氧化32。催化發(fā)光的機(jī)制依賴于檢測(cè)在催化劑表面發(fā)生的燃燒反應(yīng)的化學(xué)發(fā)光輻射。催化發(fā)光強(qiáng)度可能與催化劑活性有關(guān)33。Na 等32修改了基于催化發(fā)光的陣列成像來(lái)監(jiān)控Au 和Pt 負(fù)載的TiO 2催化劑的一氧化碳氧化活性。催化發(fā)光的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于,能夠同時(shí)提供一個(gè)快速響應(yīng)時(shí)間,在感興趣的溫度下評(píng)估催化劑的活性。但是,由于每種催化劑的催化發(fā)光響應(yīng)未知,必須根據(jù)諸如氣相色譜分析(gas chromatography, GC或質(zhì)譜分析(mass s

13、pectrometry, MS等二階分析技術(shù)來(lái)對(duì)金屬或雙金屬催化劑的催化活性進(jìn)行校準(zhǔn)。激光感應(yīng)熒光成像是已經(jīng)用于高通量催化劑篩選的另一種光學(xué)技術(shù)。激光感應(yīng)熒光成像的原理在于化學(xué)鍵的破壞或形成。這些化學(xué)鍵改變了分子的熒光屬性。由于Ar +激光片輻射催化劑上方的區(qū)域,電荷耦合器件(charge-coupled device, CCD攝像機(jī)檢測(cè)到產(chǎn)品和未反應(yīng)物質(zhì)熒光強(qiáng)度對(duì)催化劑的變化。電荷耦合器件攝像機(jī)能夠進(jìn)行紅外熱成像和熒光檢測(cè)。與紅外熱成像不同的是,物質(zhì)的熒光強(qiáng)度具有線性相關(guān)性,這可以提供關(guān)于一種特殊反應(yīng)相對(duì)活性變化的信息。Su 等34, 35已將激光感應(yīng)熒光成像和紅外熱成像用于二元釩基催化劑(

14、用于萘氧化的高通量篩選。研究結(jié)果顯示,能夠在15 s 內(nèi)在原位篩選一個(gè)包括15種催化劑的庫(kù)。由于其本質(zhì),使用激光感應(yīng)熒光成像只能檢測(cè)到熒光物質(zhì)。此外,由于在高溫下黑體輻射增加,信噪比(signal-to-noise ratio, SNR與溫度成反比。上述光學(xué)技術(shù)利用了真正平行的高通量方法,而共振增強(qiáng)多光子電離譜(REMPI以自動(dòng)化的順序方式被用于高通量實(shí)驗(yàn)13, 36, 37。在共振增強(qiáng)多光子電離譜中,一束可調(diào)紫外(ultroviolet ,UV激光束用于使反應(yīng)產(chǎn)物離子化,反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)一組微電極檢測(cè)。該技術(shù)允許研究人員分析多原子分子和自由基,原位十億分之一范圍內(nèi)區(qū)分同分異構(gòu)體。該技術(shù)的缺點(diǎn)之一

15、是,許多分子的適用激光頻率未知,這降低了該技術(shù)用于催化劑篩選的適用性36, 37。Senkan 和Ozturk 37將共振增強(qiáng)多光子電離譜與微通道陣列反應(yīng)器相結(jié)合,篩選環(huán)己烷到苯的脫氫作用。在不到5 h 內(nèi),總共測(cè)試了氧化鋁載體上Pt 、Pd 和In 的66種三元復(fù)合。質(zhì)譜分析是一種發(fā)展成熟的方法,可用于高通量篩選,以便順序地分析復(fù)雜的氣體混合物。Cong 等38使用質(zhì)譜分析調(diào)查了120種貴金屬催化劑的催化氧化和還Advanced Materials and Materials GenomeArticle225Research Volume 1 · Issue 2 · Ju

16、ne 2015 Engineering原活性。通過(guò)射頻將120種貴金屬催化劑濺射到石英晶片上存放。利用一個(gè)專門設(shè)計(jì)的探針,將樣本單獨(dú)地暴露于氣體混合物中。直接在催化劑上方抽取反應(yīng)物和產(chǎn)物樣品,然后轉(zhuǎn)移到質(zhì)譜儀,在1 min 內(nèi)順序地分析每種樣品。通過(guò)這種方法,研究人員在不到2.5 h 內(nèi)分析了一個(gè)包含136種催化劑的催化劑庫(kù)38。類似地,Senkan 等39將微反應(yīng)器陣列與毛細(xì)管微探針取樣和四級(jí)質(zhì)譜分析結(jié)合起來(lái)。通過(guò)將探針插入每個(gè)微反應(yīng)器通道,順序地對(duì)樣品進(jìn)行分析。每個(gè)微反應(yīng)器通道所需分析時(shí)間縮短為5 s ,能夠在約10 min 內(nèi)對(duì)80個(gè)微反應(yīng)器通道進(jìn)行篩選。Wang 等40還提出將質(zhì)譜分析

17、法用于分析通過(guò)80個(gè)反應(yīng)器取樣的排出氣體。每個(gè)反應(yīng)器連接到一根不銹鋼毛細(xì)管,通過(guò)一只自動(dòng)化的80流道閥門對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行單獨(dú)挑選。反應(yīng)器流出物通過(guò)一個(gè)公用樣本口進(jìn)行轉(zhuǎn)移以便進(jìn)行分析,取樣時(shí)間為8 s 。盡管順序模式通常足夠快,以便研究人員獲得反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù),但是使用此方法可能檢測(cè)不到快速失活過(guò)程。通過(guò)將烴類置于貧廢氣條件下,Richter 等41已應(yīng)用飛行時(shí)間質(zhì)譜分析篩選適合NO x 選擇性催化還原的催化劑。為了使反應(yīng)物相互分離為各部分,即NO 、N 2、N 2O 、CO 、CO 2和丙烷,他們將氣相色譜分析和飛行時(shí)間質(zhì)譜分析結(jié)合起來(lái),順序地分析來(lái)自64通道反應(yīng)器的反應(yīng)物;與此同時(shí),所有通道持續(xù)地運(yùn)

18、轉(zhuǎn),可以在2.5 h 內(nèi)分析64個(gè)通道的整個(gè)庫(kù)41。氣相色譜分析是另一種通用鑒定技術(shù),已用于篩選多相催化劑4249。例如,Hoffmann 等設(shè)計(jì)了一個(gè)49通道反應(yīng)器,對(duì)甲烷氧化催化劑進(jìn)行平行高通量篩選44。反應(yīng)器(內(nèi)徑為0.2英寸,長(zhǎng)度為0.71英寸被置于一個(gè)不銹鋼法蘭的孔內(nèi)。氣體通過(guò)一個(gè)公共入口注入,穿過(guò)一張擴(kuò)散板,以防止回混。兩個(gè)氣相色譜分析裝置,包括一根熱柱和一根冷柱,通過(guò)毛細(xì)管連接到一個(gè)多諧振蕩器。毛細(xì)管連接到每個(gè)反應(yīng)器通道的出口。使用該裝置,在3天內(nèi)在兩種不同的溫度下,針對(duì)甲烷氧化順序地分析42種催化劑44。此外,快速串行氣相色譜分析用于從苯到苯胺的直接胺化用氧化劑的一次和二次篩選

19、42。利用高壓下24級(jí)平行間歇式反應(yīng)器,每年總共篩選了2.5萬(wàn)份樣品。在我們組內(nèi),氣相色譜質(zhì)譜分析被用于高通量反應(yīng)器系統(tǒng)12, 47內(nèi)JP-8催化裂化催化劑的順序篩選。高通量反應(yīng)器系統(tǒng)包括一個(gè)16通道反應(yīng)器。反應(yīng)物原料氣被分別送入毛細(xì)管以便實(shí)現(xiàn)均流,然后單獨(dú)地分別進(jìn)入反應(yīng)器通道。在室溫下以液相存在的未反應(yīng)的JP-8和其他烴類,在16通道平行換熱式冷凝器中從每種反應(yīng)器流出物中去除。然后通過(guò)氣相色譜質(zhì)譜分析順序地分析產(chǎn)物成分。在整個(gè)項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中,增大原型開(kāi)發(fā)的規(guī)模,在不到6個(gè)月的時(shí)間內(nèi)篩選了超過(guò)100個(gè)催化劑樣品。氣相色譜分析用于高通量實(shí)驗(yàn)的主要缺陷在于取樣時(shí)間較長(zhǎng),這最終限制了此技術(shù)在催化劑失

20、活研究和動(dòng)力學(xué)研究方面的應(yīng)用。實(shí)時(shí)篩選多種催化劑的一個(gè)可能解決方案是,將多路復(fù)用方法用于高通量實(shí)驗(yàn)。多路復(fù)用已成功用于光譜學(xué),以改進(jìn)工作周期和信噪比4852。Trapp 48, 49將此方法用于氣相色譜分析,以便進(jìn)行流出物高通量篩選。在Trapp 的高通量實(shí)驗(yàn)方法中,按照偽隨機(jī)序列通過(guò)一個(gè)六端口多路復(fù)用注射器對(duì)樣品連續(xù)地進(jìn)行氣相色譜分析。多路復(fù)用色譜圖涉及從不同反應(yīng)器取樣的所有分析物的重疊的色譜圖。哈達(dá)瑪(Hadamard矩陣用于每個(gè)分析物時(shí)移色譜圖的去卷積。確定了分析物的保留時(shí)間、峰寬以及峰形,以便計(jì)算每個(gè)樣品的實(shí)際濃度。多個(gè)反應(yīng)器可連接至多路復(fù)用注射器,以毫秒為單位對(duì)流出物進(jìn)行脈沖輸送以進(jìn)

21、行氣相色譜分析,從而顯著地縮短取樣總時(shí)間。使用高通量多路復(fù)用氣相色譜分析,在600 ms 的時(shí)間間隔內(nèi),每小時(shí)能夠抽取453個(gè)樣品。在氣相色譜分析光譜的順序分析和平行分析中,多通道電子閥通常放置在反應(yīng)器的出口,以選擇特殊流進(jìn)行分析。這種類型的閥門在溫度上受到限制,從而防止用于高沸點(diǎn)流出物。3傅里葉變換紅外平行成像的應(yīng)用在過(guò)去的20年間,傅里葉變換紅外儀器作為一種高通量篩選工具用于多相催化。首先,焦平面陣列(FPA檢測(cè)器的引入帶來(lái)了一種儀器多路復(fù)用優(yōu)勢(shì),而傳統(tǒng)的傅里葉變換紅外系統(tǒng)之前缺乏這種優(yōu)勢(shì)。這一進(jìn)步促進(jìn)了空間和光譜信息的同時(shí)收集,只受焦平面陣列上像素點(diǎn)數(shù)量的限制53。其次,通過(guò)以快速掃描光

22、譜儀代替常用的步進(jìn)掃描光譜儀,傅里葉變換紅外成像數(shù)據(jù)的收集時(shí)間縮短了一個(gè)數(shù)量級(jí)。步進(jìn)掃描光譜儀通常通過(guò)在每次鏡像延遲時(shí)收集光強(qiáng)度信息的多個(gè)幀來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)男旁氡?。然后將這些幀進(jìn)行平均,以提供每個(gè)干涉圖點(diǎn)。在快速掃描光譜儀方案中,在鏡像延遲范圍內(nèi)持續(xù)地收集數(shù)據(jù),每個(gè)干涉圖點(diǎn)只要求單幀。這樣就能減少鏡像所需的穩(wěn)定時(shí)間,并縮短采集總時(shí)間5457。作為多通道反應(yīng)器的可行平行成像技術(shù),我們組首次實(shí)現(xiàn)和展示了由異步快速掃描傅里葉變換紅外光譜儀和焦平面陣列檢測(cè)器組成的一個(gè)裝置5458。將傅里葉變換紅外成像應(yīng)用于高通量篩選的基本概念,涉及在使用焦平面陣列檢測(cè)器的同時(shí)收集數(shù)以千計(jì)的干涉圖,這顯著地縮短了獲得傅里葉

23、變換紅外圖像所需的時(shí)間。例如,在34 s 內(nèi),能夠收集具有4 cm 1光譜分辨率和Advanced Materials and Materials GenomeArticle226Research Engineering Volume 1 · Issue 2 · June 2015 1360 cm 1光譜范圍的光譜圖像?；?28 × 128焦平面陣列檢測(cè)器,這樣一個(gè)圖像總共包括12 384個(gè)光譜。自高通量傅里葉變換紅外系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以來(lái),已為包括我們組在內(nèi)的眾多研究提供了便利。其中一個(gè)典型的例子是,在一個(gè)廣泛的參數(shù)空間內(nèi)(包括催化劑組成、進(jìn)料組成、循環(huán)條件和過(guò)渡金屬助

24、催化劑氧化鋁負(fù)載、含Pt 、Ba 和Fe 的NO x 存儲(chǔ)還原催化劑的優(yōu)化和開(kāi)發(fā)。這些研究促使Co/Ba 的發(fā)現(xiàn)。Co/Ba 是高效且不含貴金屬的NO x 儲(chǔ)存催化劑5961。其他高通量研究重點(diǎn)關(guān)注氨分解的微觀動(dòng)力學(xué)62、小孔沸石在NO x 中NH 3選擇性催化還原的穩(wěn)定性63、Ag 催化的乙烯環(huán)氧化的促進(jìn)效果64, 65,以及多個(gè)其他主題66, 67。高通量傅里葉變換紅外篩選的開(kāi)拓設(shè)計(jì)影響了其他研究人員。Kubanek 等68已經(jīng)提高了平行化程度,設(shè)計(jì)了用于焦平面陣列紅外裝置的一種49通道反應(yīng)器。通過(guò)一個(gè)公共入口引入氣態(tài)反應(yīng)混合物,然后通過(guò)一個(gè)毛細(xì)管束將混合物分別送入每個(gè)反應(yīng)器。來(lái)自反應(yīng)器的

25、流出氣體被直接送入分析毛細(xì)管,在分析毛細(xì)管中通過(guò)紅外光譜同時(shí)分析流出物的成分。據(jù)報(bào)告,用于正戊烷加氫異構(gòu)化作用的不同催化劑活性的相對(duì)誤差小于± 20 % 68。此外,Chan 等6972使用微衰減全反射(ATR成像,將高通量成像方法用于篩選水溶液和與水接觸的樣品。他們已使用與64 × 64焦平面陣列檢測(cè)器相關(guān)的單反式金鋼石衰減全反射附件,這實(shí)現(xiàn)了在各種溫度下使用少量樣品對(duì)紅外光譜進(jìn)行測(cè)量。由于金鋼石衰減全反射附件的耐用性,可施以高壓以改善樣品和晶體之間的接觸,從而降低測(cè)量的吸光度變化。使用該裝置對(duì)聚乙二醇配方中異丁苯丙酸的40個(gè)樣品進(jìn)行了篩選,并且確定了聚乙二醇中異丁苯丙酸

26、的質(zhì)量分?jǐn)?shù),以便避免其二聚作用72。概括地說(shuō),我們組和其他研究人員在過(guò)去十年間開(kāi)展的各種高通量反應(yīng)研究已經(jīng)證明,快速掃描傅里葉變換紅外成像是一種有效的平行鑒定方法。傅里葉變換紅外可用于識(shí)別中紅外范圍內(nèi)的氣態(tài)和液體物質(zhì),以及按單變量或多變量量化氣相濃度。高通量傅里葉變換紅外技術(shù)的主要局限性在于其只適用于具有紅外活性的分子。416通道高通量反應(yīng)器設(shè)計(jì)第一代16通道反應(yīng)器設(shè)計(jì)為蜂窩狀塊狀結(jié)構(gòu),包括同等數(shù)量的加熱器和反應(yīng)器塊(圖1(a73。我們的第二代16通道平行活塞流反應(yīng)器相較第一代有多處改進(jìn),包括效率更高的催化劑裝填/卸出過(guò)程、改進(jìn)的溫度控制,以及改進(jìn)的流量分配系統(tǒng)。新設(shè)計(jì)應(yīng)用四只陶瓷輻射加熱器(

27、內(nèi)徑為3英寸,高度為6英寸取代加熱塊(圖1(b。陶瓷門廊與每只爐子的頂部和底部緊密地貼合在一起,從而確保加熱區(qū)的最佳隔熱效果。由于通道溫度以4通道為一組而不是以16通道為一組進(jìn)行控制,溫度分布得到改善。此外,這種設(shè)計(jì)還能夠靈活地同時(shí)管理四種不同的反應(yīng)器溫度。根據(jù)從置于每只爐子中心位置的K 型熱電偶獲得的溫度讀數(shù),使用了四個(gè)開(kāi)關(guān)比例積分微分(proportional-integral-derivative ,PID控制器來(lái)控制為四只爐子中每只爐子提供的電源。在內(nèi)部開(kāi)發(fā)的LabView ®程序中,同時(shí)顯示出了這些溫度與16項(xiàng)催化劑床溫度。(a(bReactorHeater Blank 圖

28、1.高通量反應(yīng)器。(a 第一代;(b 第二代。16通道反應(yīng)器裝置的特征,如圖2所示,是有固定的底板和移動(dòng)的頂板。可使用一個(gè)小型卷?yè)P(yáng)提升系統(tǒng)將移動(dòng)的頂板提起,從而快速地裝填和卸出催化劑。通常,反應(yīng)器管件預(yù)先裝填了50500 mg 的粉狀催化劑,粉狀催化劑負(fù)載于不銹鋼玻璃料上。然后將移動(dòng)的頂板降低,以和反應(yīng)器管相接觸。使用同心毛細(xì)管螺線的一個(gè)網(wǎng)絡(luò),在16個(gè)通道中同等地分配流量。同心毛細(xì)管螺線源自一條中央入口管線,均包含在一個(gè)加熱盒內(nèi)部。此毛細(xì)管盒的出口起到16平行固定床反應(yīng)器入口的作用。為了清楚起見(jiàn),圖2未包括加熱區(qū)和額外的15個(gè)反應(yīng)器通道。Advanced Materials and Mater

29、ials GenomeArticle227Research Volume 1 · Issue 2 · June 2015 Engineering 高通量傅里葉變換紅外實(shí)驗(yàn)裝置(圖3由一個(gè)Bruker Equinox 55傅里葉變換紅外光譜儀和一個(gè)128 × 128像素碲鎘汞焦平面陣列檢測(cè)器(操作頻率為1610 Hz ,在40001000 cm 1范圍內(nèi)敏感;美國(guó)加利福尼亞州戈利塔Santa Barbara Focalplane組成。光譜的分解率通常是8 cm 1。一組折射光學(xué)元件與一個(gè)內(nèi)部開(kāi)發(fā)的氣相陣列(gas-phase array, GPA取樣附件配對(duì)74。更

30、多的細(xì)節(jié)請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)5458。光學(xué)元件包括一張鍍金外反光鏡、兩個(gè)用于光束發(fā)散的ZnSe 彎月形透鏡,以及兩個(gè)用于光束準(zhǔn)直的平凸的BaF 2透鏡。在兩組透鏡之間,光束穿過(guò)氣相陣列取樣附件。該附件由16根不銹鋼管組成(外徑為3/8英寸。氣相陣列的每端覆蓋著用O 型環(huán)密封的1.97英寸 × 0.12英寸的ZnSe 窗。來(lái)自16個(gè)反應(yīng)器通道的排出氣體通過(guò)焊接至氣相陣列管的1/8英寸的管子進(jìn)入和離開(kāi)氣相陣列。平均32張干涉圖。后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,包括壞像元的清除和信號(hào)的傅里葉轉(zhuǎn)換,使用一個(gè)內(nèi)部開(kāi)發(fā)的軟件包完成74。對(duì)得到的多通道紅外光譜的定量分析類似地轉(zhuǎn)到額外的紅外定量分析,可使用GRAMS/A

31、I 校準(zhǔn)和預(yù)測(cè)軟件75在幾秒鐘內(nèi)完成,以獲得流出物氣相濃度。5案例研究:氧化鈷催化劑的一氧化碳氧化案例研究表明,快速掃描傅里葉變換紅外與高通量反應(yīng)器相結(jié)合,可用于解決由不同的合成條件引起的催化劑性能差異(即使很小。我們簡(jiǎn)要地討論如何將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與高通量實(shí)驗(yàn)相結(jié)合來(lái)研究六種合成條件對(duì)無(wú)載體氧化鈷納米粒子的一氧化碳氧化活性的影響。在不到兩天時(shí)間內(nèi),總共評(píng)估了29種獨(dú)特氧化鈷催化劑的性能。在一次一因子模擬下,與六因子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的相對(duì)效率相配合,總實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短50倍。通過(guò)含有1,2-十二烷二醇的醋酸鈷的水熱還原,制備完成鈷催化劑庫(kù)。參考文獻(xiàn)中報(bào)告的影響(此方法制備的鈷納米粒子的大小、形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)的合成參

32、數(shù),在代表整個(gè)設(shè)計(jì)空間的各個(gè)水平上有所不同76, 77。確切地說(shuō),在240270 °C 、110 °C·min 1升溫速率和28的還原劑還原劑摩爾比下(表1,30 mL 的二芐醚 中使用0.050.15 mol·L 1的醋酸鈷和0.050.25 mol·L 1的聚烯吡酮(PVP或油酸表面活性劑進(jìn)行合成。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了因子設(shè)計(jì),以便系統(tǒng)地研究這些因子78,同時(shí)進(jìn)行了X 射線衍射研究,以解決因子對(duì)粒子塊狀晶體結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)鈷的晶格參數(shù)、密勒指數(shù)和晶面間距之間的關(guān)系,確定了每個(gè)樣品的結(jié)晶相,并且應(yīng)用了Scherrer 公式,以根據(jù)峰加寬粗略估計(jì)晶粒大小

33、79, 80。在進(jìn)行催化測(cè)試之前,在空氣中對(duì)所有樣品進(jìn)行干燥處理(110 °C和煅燒(550 °C,持續(xù)14 h ,以便確保完全氧化成尖晶石結(jié)構(gòu)(Co 3O 4。煅燒后的氧化鈷晶粒尺寸從 32 nm 到100 nm 不等,如表1所示。對(duì)初步的一氧化碳氧化基準(zhǔn)研究已完成,以量化與16通道裝置相關(guān)的測(cè)量總誤差。與N 2平衡的混合物(2 % CO 和5 % O 2被注入每個(gè)通道,目標(biāo)空間速度為60 000 mL h 1g cat 1,溫度躍變?yōu)?00300 °C 。每個(gè)通道(除單個(gè)空白通道外裝載有100 mg 的商用1 % Pd/Al 2O 3催化劑(Alfa Aesa

34、r。16個(gè)通道的流量和溫度分布都是均勻的,各自的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差分別是± 1.3 %和± 0.7 %。溫度超過(guò)200 °C 時(shí),含有Pd/Al 2O 3的所有通道顯示統(tǒng)一變化,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差為± 3.5 %。所有標(biāo)準(zhǔn)誤差以95 %置信區(qū)間為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。在空間速度為60 000 mL h 1g cat 1時(shí),在2 % CO/8 %Thermocouple Capillary tube Gas inlet Reactor tubeCatalyst bed Stainless steel frit Holding tubeGas exit圖2. 16通道高通量反應(yīng)

35、器。單個(gè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)如左側(cè)所示。圖3.根據(jù)參考文獻(xiàn)66改造的傅里葉變換紅外平行成像裝置。FPA detectorExit gasExit gasInlet gasGPAInlet gasBaF 2 lensBaF 2 lensZnSe lensZnSe lensSpectrometerGold plated mirror通過(guò)編寫的程序?qū)?shù)據(jù)采集進(jìn)行控制。每張干涉圖包含3554個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在焦平面陣列幀頻為1610 Hz 時(shí),包含128 × 128張干涉圖的一個(gè)光譜圖像的數(shù)據(jù)收集過(guò)程約花費(fèi)2 s 。為了改進(jìn)信噪比,通常在1 min 內(nèi)收集并Research Advanced Materia

36、ls and Materials GenomeArticle 表 1. 實(shí)驗(yàn)的 Co3O4 催化劑的合成條件 No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Synthesis temperature (°C 240 270 240 270 240 270 270 240 270 240 270 240 270 240 270 255 255 240 270 270 240 270 240 270 240 270 270 240 255 Ramp rate (°

37、;C·min1 1 1 10 10 1 1 10 1 1 10 10 1 1 10 10 5.5 5.5 1 10 1 10 10 1 1 10 10 1 10 5.5 Concentration fo surfactant (mol·L1 0.05 0.05 0.05 0.05 0.25 0.25 0.25 0.05 0.05 0.05 0.05 0.25 0.25 0.25 0.25 0.15 0.15 0.05 0.05 0.25 0.25 0.25 0.05 0.05 0.05 0.05 0.25 0.25 0.15 Metal salt (mol·L1

38、0.15 0.05 0.05 0.15 0.15 0.05 0.15 0.05 0.15 0.15 0.05 0.05 0.15 0.15 0.05 0.1 0.1 0.15 0.15 0.05 0.05 0.15 0.05 0.15 0.15 0.05 0.15 0.15 0.1 R: Reducer/Co mole ratio 8 2 8 2 2 8 8 8 2 8 2 2 8 2 8 5 5 2 8 2 8 2 2 8 2 8 2 8 5 Surfactant PVP PVP OA OA OA OA PVP PVP PVP OA OA OA OA PVP PVP OA PVP PVP O

39、A OA PVP PVP PVP PVP OA OA OA PVP OA 60 76 58 58 49 82 49 46 60 34 > 100 32 53 68 49 64.7 58 47 54 Grain size (nm 37 48 49 48 48 55 49 42 168 178 178 231 158 141 179 203 172 151 144 197 212 123 142 160 197 119 162 172 160 302 146 192 T50 (°C 194 185 203 165 Activity at 200 °C (mL·(

40、g-s1 0.47 1.12 0.72 0.47 0.09 1.18 0.61 1.42 1.54 0.26 0.18 1.28 0.27 0.31 0.38 0.56 0.89 0.63 0.31 0.21 0.46 0.95 0.58 0.43 1.72 0.53 1.09 1.69 0.55 O2/N2 氣體流下，每個(gè)通道使用 50 mg 催化劑進(jìn)行 Co3O4 納米粒子的一氧化碳氧化活性測(cè)試。在 25 °C 和 300 °C 之間，按 25 °C 的間隔通過(guò)傅里葉變換紅外測(cè)量反應(yīng)器 流出物成分。每種溫度的運(yùn)行時(shí)間為 30 min，溫度間升 溫和穩(wěn)定所需時(shí)間

41、少于 10 min。為每個(gè)通道測(cè)量催化劑 床溫度，并用于后續(xù)計(jì)算。此外，每次實(shí)驗(yàn)中都有一個(gè) 所有催化活性均在大氣壓力下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的每種催 化劑的合成條件在表 1 中列出。 在一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)溫度點(diǎn)可獲得數(shù)個(gè)紅外光 譜圖像，然后對(duì)這些圖像進(jìn)行平均，以改進(jìn)光譜的信噪 比。隨后，進(jìn)行單變量校正，以量化來(lái)自紅外路徑長(zhǎng)度 的 CO 和 CO2 出口濃度與 CO 和 CO2 振動(dòng)譜帶的吸光度。 在所有情況下，碳平衡在研究的條件下均在 ± 1.5 % 的范 圍內(nèi)。根據(jù)此信息，在 0.09 ± 0.0031.72 ± 0.06 mL(g-s 1 起燃溫度范圍為

42、119302 °C。 結(jié)果用于開(kāi)發(fā)一個(gè)預(yù)測(cè)模型，該預(yù)測(cè)模型將上述鈷 合成參數(shù)與 200 °C 時(shí)一氧化碳氧化活性結(jié)合起來(lái)。使用 Minitab 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行了因子分析和模型回歸 81。具體 而言，在測(cè)試的 Co3O4 催化劑中，有 23 種和高通量系 統(tǒng)一同用于擬合統(tǒng)計(jì)模型，剩余的 6 種用于驗(yàn)證。只有 面活性劑濃度和表面活性劑類型是最主要的影響因素。 對(duì)升溫速率和溫度的顯著雙向相互作用的進(jìn)一步分析表 明，增加的升溫速率正面影響低合成溫度下的活性，但 是，對(duì)高合成溫度具有負(fù)面影響。這種相互作用如圖 4 中等值線圖所示。 統(tǒng)計(jì)模型的預(yù)測(cè)能力如圖 5 所示。模型開(kāi)發(fā)點(diǎn)和驗(yàn) 證點(diǎn)

43、的預(yù)測(cè)活性與實(shí)驗(yàn)活性非常匹配。通過(guò)實(shí)施重復(fù)的 合成和對(duì)數(shù)個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn) (驗(yàn)證數(shù)據(jù)點(diǎn) 進(jìn)行催化測(cè)試，以 此評(píng)估模型重復(fù)性。在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，差異從 0.41 % 到 單獨(dú)的通道不放置催化材料，以確?？辗磻?yīng)管的零轉(zhuǎn)化。 P  < 0.05 的項(xiàng)目才納入統(tǒng)計(jì)模型。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鈷濃度、表 的范圍內(nèi)計(jì)算催化活性，考慮了催化劑精確質(zhì)量、流速 和在每個(gè)通道轉(zhuǎn)換的 CO。一氧化碳轉(zhuǎn)換率為 50 % 時(shí)， 6.39 % 變動(dòng)，但不明顯地改變預(yù)測(cè)模型。這個(gè)結(jié)果證實(shí) 228 Engineering Volume 1 · Issue 2 · June 2015 Advanced Materi

44、als and Materials GenomeArticle 14 1.0 Research 其準(zhǔn)確性和重復(fù)性。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)中所有通道具 有幾乎一致的流速、氣體成分和加熱分布圖。反應(yīng)結(jié)果 在單催化劑和多催化劑研究中被證明是可復(fù)制的，其中 總誤差為 ± 3.5 %。測(cè)量了用于一氧化碳氧化的氧化鈷納 1.0 12 Ramp rate (°C.min1 10 8 6 4 1.0 米粒子的活性，并建立了一個(gè)使合成參數(shù)與活性相關(guān)聯(lián) 1.0 的統(tǒng)計(jì)模型。 對(duì)氧化鈷一氧化碳氧化的因子分析表明，其在探索 合成參數(shù)設(shè)計(jì)空間和指導(dǎo)未來(lái)研究中很有幫助。通過(guò)將 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和高通量反應(yīng)器及快速

45、掃描傅里葉變換紅外系 統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，我們很快建立了使 Co3O4 合成參數(shù)與一氧 260 265 270 2 225 230 235 200 °C 時(shí)一氧化碳氧化活性 （mL·(g-s1） 。 圖 4. 從統(tǒng)計(jì)模型獲得的等值線圖。 保持值：表面活性劑濃度為 0.05 mol·L1、鈷濃度為 0.1 mol·L1，R =2（摩爾比） ， 以及 PVP。 Training set Validation set 240 245 250 255 Synthesis temperature (°C 化碳氧化活性相互關(guān)聯(lián)的一個(gè)精確、可復(fù)制模型。在對(duì) 多個(gè)感興

46、趣的領(lǐng)域的調(diào)查中，最有前景的領(lǐng)域是合成溫 度 / 升溫速率相互作用的高 / 低組合。在未來(lái)，我們將通 過(guò)研究范圍之外的測(cè)試點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，并將 開(kāi)展反應(yīng)面研究，以便完全理解其深刻的復(fù)雜性。 1.8 1.6 Predicted activity (mL.(g-s1 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 致謝 作者感謝美國(guó)南卡羅來(lái)納州電力生產(chǎn)戰(zhàn)略方法 (SAGE 智能國(guó)家中心的資助。 Compliance with ethics guidelines Erdem Sasmaz, Kathleen Mingle, and Jochen Lauterbach

47、declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose. 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Experimental activity (mL.(g-s1 圖 5. 預(yù)測(cè)活性與實(shí)驗(yàn)活性的比較。 References 1. Anon. Recognizing the best in innovation: Breakthrough catalyst. R&D Magazine, 2005, September: 20 2. M. Baerns,

48、 M. Holea. Approaches in the development of heterogeneous catalysts. In: M. Baerns, M. Holea, eds. Combinatorial Development of Solid Catalytic Materials: Design of High-Throughput Experiments, Data Analysis, Data Mining. London: Imperial College Press, 2009: 720 3. A. Jain, et al. Commentary: The M

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52、throughput heterogeneous catalysis. Surf. Sci. Rep., 2008, Volume 1 · Issue 2 · June 2015 Engineering 高通量系統(tǒng)在解決研究不同的合成條件的范圍引起的催 化性能變化方面的有效性。 6結(jié)論 高通量實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝻@著推進(jìn)催化劑的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展及推 廣應(yīng)用。多年以來(lái)，許多高通量篩選技術(shù)已用于平行地 評(píng)估催化劑的活性。在這些技術(shù)中，筆者團(tuán)隊(duì)大約在 20 年前就率先提出了快速掃描高通量傅里葉變換紅外成 像技術(shù)，且該技術(shù)已成功用于篩選具有多種用途 (包括 NH3 分解、NOx 的選擇性催化還原以及

53、乙烯環(huán)氧化 的多 相催化劑。 我們借此文報(bào)告 16 通道高通量反應(yīng)器和傅里葉變換 紅外系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)。對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，以掌握 229 Research Advanced Materials and Materials GenomeArticle 63(11: 487513 9. R. Potyrailo, K. Rajan, K. Stoewe, I. Takeuchi, B. Chisholm, H. Lam. Combinatorial and high-throughput screening of materials libraries: Review of state of t

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