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研究背景

固體催化劑是化學工業中的重要材料，以高效、有選擇性的方式促進化學反應。這就是為什么80%的化學產品的生產過程中都涉及到催化作用。固體催化劑有許多不同的形狀和大小，但它們的共同點是，它們通常是微米大小的、具有明確孔隙度的結構化顆粒。隨著對固體催化劑的結構、組成和功能的了解的增加，我們知道這些復雜的、多組分的和分層的材料是不均一的。

顆粒間和顆粒內的異質性限制了塊體表征方法的可用性，以及由于缺乏統計相關性而使單催化劑顆粒分析復雜化，使得深入分析催化劑材料變得困難。因此，應開發適當的技術，以高通量方式進行單催化劑顆粒篩選，以提供具有統計學相關性的深入信息。

荷蘭烏得勒支大學Bert M. Weckhuysen教授課題組在Nature Catalysis上發表文章，High-throughput activity screening and sorting of single catalyst particles with a droplet microreactor using dielectrophoresis，在液滴微反應器中利用介電泳技術實現對單個流體催化裂化（FCC）顆粒活性的自動高通量篩選和分類。

作者開發了一種液滴微反應器，用于使用介電泳（DEP）對FCC顆粒進行高通量熒光激活催化劑分類。有了這個DEP平臺，可以對FCC粒子根據活性分選。包裹在液滴中并用兩個不同的熒光探針分子（4-甲氧基苯乙烯和4-氟苯乙烯）染色的顆粒可以以~23滴s^-1（0.25個顆粒s^-1）的高通量原位檢測和分選。

通過應用DEP，以4-氟苯乙烯為探針，含有高活性催化劑顆粒的液滴可以被操縱到一個分類出口，從而形成一個僅包含最活性顆粒的收集庫，而熒光信號低的活性較低的顆粒則不受操縱地流入非分類出口。同樣，低至中度活性的催化劑顆粒也可以使用4-甲氧基苯乙烯作為探針進行分類。4-甲氧基苯乙烯染色顆粒的催化劑顆粒分揀率>92%，4-氟苯乙烯染色顆粒的催化劑顆粒分揀率為100%。

液滴進入默認進入非分類出口的設計大幅降低了假陽性結果的可能性；唯一的假陽性結果發生在液滴流量不穩定時，在穩定的操作條件下基本上消除了假陽性。

總共有10個催化劑顆粒被4-氟苯乙烯染色，并在分類收集容器中找到。用熒光顯微鏡對這10個催化劑顆粒進行非原位分析，證實了大多數的熒光顆粒確實被分選了，而μXRF光譜顯示，與未分選的顆粒相比，這些顆粒含有較少的金屬積累(即Ni和Fe)。

通過調整該分析平臺的閾值，僅對顯示最高熒光峰的顆粒進行排序，可以將沸石ZSM-5與沸石-Y區分開來，因為前者的酸性位點比后者更強，這意味著4-氟苯乙烯染色對沸石類型來說可能是選擇性的。

此外，有了這個基于熒光激活催化劑分揀DEP的微流體平臺，在未來的研究中，將有可能對其他催化劑進行分類和研究。篩選新合成的催化劑顆粒現在可以提供有關合成參數的寶貴信息。

圖文詳情

圖1. FCC過程、分選原理及微反應器設計

圖2. 4-氟苯乙烯和4-甲氧苯乙烯染色FCC顆粒的操作窗口和分選閾值

圖3. 分選后的4-氟苯乙烯染色FCC顆粒分析

原文鏈接

Nieuwelink, AE., Vollenbroek, J.C., Tiggelaar, R.M. et al. High-throughput activity screening and sorting of single catalyst particles with a droplet microreactor using dielectrophoresis. Nat Catal (2021).

https://doi.org/10.1038/s41929-021-00718-7

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/16/dbcb0de696/

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