מבוא ל-Assis מיקרוגל Synthesis ב Catalysis

טכניקות מחוסמות מיקרוגל הפכו את ההכנה וההפעלה של זרזים על פני תעשיות כימיות.על ידי שימוש בקרינה אלקטרומגנטית בטווח תדר מיקרוגל (בדרך כלל 0.3–300 GHz), שיטות אלה מספקות אנרגיה ישירות לתערובת תגובה, המאפשרת חימום מהיר, סלקטיבית ומדים שקשה להשיג עם חומרים סטנדרטיים סטנדרטיים של הדבקה או התנהגות תרמית.

סינתזה זרז ארכיוז לעתים קרובות להסתמך על טיפולים תרמיים ארוכים - שעות או אפילו ימים של חימום בכבשים או אמבטיות שמן - כי לצרוך אנרגיה משמעותית ויכול להוביל מוצרים הומוגניים. לעומת זאת, זוגות מיקרוגל קרינת ישירות עם מולקולות קוטביות או מינים ionic, יצירת אפקט חימום בנפח שיכול להעלות טמפרטורות לכמה מאות מעלות צלזיוס בתוך דקות.

מימון של המיקרוגל בהכנה Catalyst

יעילותן של שיטות מחוסמות מיקרוגל תלויה בשני מנגנונים עיקריים: קטב קוטבי והתנהלות איטונית. כאשר שדה מיקרוגל אינטראקציה עם מולקולות קוטביות (למשל, מים, אלכוהול, או נוזלי איטוני), המולקולות מנסה להתאים במהירות את השדה החשמלי המתפתל במהירות.

עבור סינתזת זרז, הבחירה של מעצור, ריכוז מבשר, וכוח מיקרוגל הם פרמטרים קריטיים. Solvents עם גורמי אובדן דיאלקטרי גבוה (למשל, מים, glycol, או dimethylformamide) חום במהירות, בעוד שלא קוטביים נשארים קר יחסית.זה חימום סלקטיבית יכול להיות מנוצל כדי ליצור טמפרטורות על-על מקומי אתרי reactive, קידום קצב מהיר של חלקיקים מבוקרים, או קירור, בדיוק, כדי לאפשר קירור של רמת טמפרטורה מבוקרת, או תאים.

יתרונות מרכזיים של Catalyst Synthesis

  • (FLT:0) ניכוי ריטריט ב-Reaction Timeofph:1 ; מה לוקח שעות במינון רגיל או פרווה ניתן לעתים קרובות להשלים בתוך דקות מתחת לדלקת מיקרוגל.לדוגמה, סינתזה הידרותרמית של זאוליטים, אשר בדרך כלל דורש 24-72 h, ניתן להשיג בתוך 30-60 באמצעות חימום.
  • (FLT:0) אחידות המוצר ו- שלב PurityFLT (שלב מטבוליזם) 1:1 - כי חימום מיקרוגל הוא נפחי ומונע lag תרמי, תערובת התגובה כולה חווה את אותה היסטוריה תרמית. אחידות זו מתורגמת לזרזים עם זרזים בגודל חלקיקים צר יותר, פחות על ידי תוצרים, ותפוצה עקבית יותר של אתרי מתכת נתמך, לעתים קרובות שיטות מיקרוגל ותשואות קטנות יותר מאשר חלקיקים קונבנציונאליים.
  • (FLT:0)Imroved Physicochemical PropertiesFOVALT:1 Catalysts מסונתז דרך קווי מיקרוגל לעתים קרובות להציג אזורי משטח ספציפיים יותר, נפחים חריפים יותר, וגמישות מוגברת.הקצב המהיר ותנאי הצמיחה מעדיפים היווצרות של שלבים metastable או פני גבישים ספציפיים כי הם מועילים לפעילות קטליטית.
  • (FLT:0)אנרגיה של יעילות והטבות סביבתיות ,FLT:1 - בעוד חימום קונבנציונלי מחממת את כל המנגנון (קירות, אווירה וכו '), אנרגיית מיקרוגל מופקדת באופן סלקטיבי לתוך מדיום התגובה.זה מוביל לצריכת אנרגיה כללית נמוכה יותר - עד 80% במקרים מסוימים - ומפחית את טביעת הרגל של זרז ייצור.
  • (FLT:0)Facile Scale-Up פוטנציאליFLT:1 ; למרות שהיקף הגדל נשאר אתגר, כמה עיצובים כור - כגון כורים מיקרוגל זרימה רציפה ומערכות חלל מרובות-mode - מפותחים כדי לעבור מסנכי מעבדה בקנה מידה דקדוק לייצור בקנה מידה קילוגרם.

יישומים ב-Catalyst Synthesis

Metal Nanoparticles ו- Catalysts תמיכה

סינתזה מאוזנת מיקרוגל הפכה שיטה סטנדרטית לייצור חלקיקים מתכת מונודיספרסונים מתכת (Pt, Pd, Au, Ru, Ni, Co, וכו ') ו- Immobilizing אותם על תמיכה כמו פחמן, silica, alumina, או מתכת oxides.המהירות, חימום אחיד מקדם צמצום מהיר של ממת מתכת (למשל, באמצעות צמצום פולימול או ירידה תרמית) עבור דלקים דומים (למשל, 000).

חלקיקים דומטיל ורב-מטאליים זמינים גם באמצעות מסלולי מיקרוגל.על ידי שילוב של שני מלחי מתכת או יותר, אחד יכול להשיג ⁇ , מבנים הליבה-shell, או תרכובות בין-מתכתיות עם יצירות מבוקרות.הקינטיקה המהירה לעתים קרובות מדכאת שלב הפרדה, המוביל סגסוגת הומוגנית המציגה ביצועים משופרים של קטליטיים בתגובות כגון הפחתה, מימן, פחמן, ו CO2 הוא חשיפה פעילה של החמצן).

Zeolites ו-Forous Materials

Zeolites הם גבישי aluminosilicates עם micropores מוגדר היטב, בשימוש נרחב בנפט refining, סינתזה פטרוכימית, ו קטליזה סביבתית.זה zeolite zeolite סינתזה דורש טיפול הידרותרמי ב 100-200 מעלות צלזיוס עבור 1-7 ימים, חימום מיקרוגל מקצר באופן דרסטי את זה עד 15 דקות2 שעה שיפור שלב גבישי וסלקטיביות.

בדומה, מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) - חומרים נטולי מתכת וקישורים אורגניים - החל מסינתזות מיקרוגל-מחוסנים (MOF synthesis טיפות מימים עד דקות, והמוצרים לעתים קרובות מציגים אזורי משטח גבוהים יותר ופחות פגמים.למשל, את ה-MOF-5 (MOF-1) ניתן לסנתז 30 תחת תנאי מיקרוגל עם שטח מבטיח יותר, 000.

מתכת Oxides ו-Oxides

טכניקות מיקרוגל מועסקות נרחב לסנתזת חלקיקים מתכתיים (TiO2, ZNO, Fe2O3, Co3O4, וכו ') ו תחמוצות חלקיקים מעורבים (perovskites, ספינלים) עבור photocatalytic, חמצון, ויישומים המרה אנרגיה.השיטה מאפשרת שליטה מדויקת על גודל גבישי, שלב, ומורפיולוגיה. לדוגמה, מיקרוגל-סינאפצים של פעילות חלקיקים של חלקיקים עם ירידה גבוהה של חלקיקים עם רמות של חלקיקים עם ירידה גבוהה של חלקיקים עם ירידה של חלקיקים.

תחמוצות Perovskite (למשל, LaCoO3, LaMnO3) בשימוש בבעירה קטליטית ואבולוציה חמצן יכול להיות מוכן בתוך דקות ולא שעות, לעתים קרובות עם טוהר בשלב גבוה יותר וגדלים חלקיקים קטנים יותר.ההתחממות מהירה להימנע היווצרות של שלבים לא רצויים ביניים מניבה ומייצרת חומרים עם אתרים פעילים יותר. דוחות מצביעים על כך ש- מיקרוגל-Ferated laO3s הראו ביצועים מעולים עבור דגימות לא מוכנים להפחתה קונבנציונאלית.

Catalysts מבוסס פחמן

אי-דיור מיקרוגל מיושם גם כדי לפונקציונלי את חומרי פחמן (graphene, פחמן ננו-בוטיקים, פחמן מופעל) עם חלקיקים מתכת או heteroatoms (N, B, S) עבור קטליזה ללא מתכת.ההתחממות המהירה מאפשרת שליטה ללא נזק מבני.לדוגמה, גרפן חנקן מסונתז באמצעות טיפול מיקרוגל באווירה ammonia מראה אלקטרוליטי מעולה עבור פעילות חמצן מבוססת זרז.

Catalyst Activation

מעבר לסנתזה, טכניקות מיקרוגל משמשים יותר ויותר עבור הפעלה זרז - טיפולים כי להסיר זיהומים, לשנות כימיה פני השטח, או לגרום סידורים מבניים כדי לשפר את הפעילות. â € ¢ ¢ cal הפעלה (הפחתת, החלפה, המעבר) כרוך עיבוד תרמי מתמשך.

  • (FLT:0) הפחתה חדה של מתכת Pre ⁇ ssveFLT:1 ; זרז הזזות טריזזנת מכילים לעתים קרובות מיני מתכת מחומצן הדורשים הפחתה (למשל, ב-H2 זרימה) לפני השימוש. הפחתה במיקרוגל באטמוספירה מופחתת (H2 גז או פתרונות hydride) יכול להשלים הפעלה בתוך דקות, למנוע הדבקה המתרחשת במהלך הפחתת חום.
  • (FLT:0Selective Removal של תבניות ו- SurfactantsFLT:1 - זרזים nanostructured רבים להשתמש תבניות אורגניות או סוכנים capping לשלוט מורפולוגיה. הסרת מינים אלה בדרך כלל דורש calcination בטמפרטורות גבוהות, אשר יכול לפגוע במבנה.מיקרוגל הפעלה מאפשר הסרת מהירה, סלקטיבית של שאריות אורגניות בטמפרטורות נמוכות יותר על ידי חימום ישיר של moie אורגני, שמירה על המבנה הרצויה.
  • (FLT:0)Surface Defect Engineeringation EngineeringFLT:1 - פולסים מיקרוגל קצרים יכולים לייצר vacancies חמצן או פגמים משטח אחרים ללא חיטוי זרז.לדוגמה, טיפול TiO2 עם קרינת מיקרוגל באווירה אינרציה מייצרת Ti3+ אתרים וחמצן vacancies אשר משפרת את אבולוציה של photocatalytic מימן.
  • (FLT:0) חידוש של Catalystsovated CatalystsveFLT:1 , זרז תעשייתי בהדרגה מתחולל באמצעות coking, חטא, או הרעלה.התחדשות אמנה בדרך כלל כרוך חמצון עתיר רוח גבוהה לשרוף את הפקדות פחמן, אשר יכול עוד יותר לחטוא מתכות פעיל מיקרוגל.

לימודי מקרה תעשייתי

ממירים קטליטיים

מתכות קבוצתיות פלטינום (PGMs) בשימוש בשלושה זרזים הם יקרים, כך לשפר את הפיזור והעמידות שלהם הוא קריטי. במחקר על ידי חוקרים מאוניברסיטת טוקיו, פירוקה של Pt ו Pd על Al2O3-CeO2 Washcoats המיוצר עם זרזי מתכת דקים (2-4 n) טוב יותר ו- pd על יציבות תרמית עבור 20 גרם פחות מ-C.

פישר-טרויטש סינתזזה Catalysts

זרזים מבוססי קובלט עבור סיינטק-טרופש סינתזה דורשים שליטה זהירה בגודל חלקיקים ודרגה הפחתת.ססינתזה של זרז Co / SiO2 באמצעות שיטת צמצום פוליקול הניבו חלקיקים של 6-8 nm עם הפחתה גבוהה של סגסוגת חד-קרקעית, בניסוי קבוע של כור, מיקרוגל-pred הציגה שיעור המרה CO 30% גבוה יותר מאשר מקבילה סטנדרטית, 000, 000 חזק, 000 חזק, היה קומפקטית בגודל של סגסוגת חזק.

ייצור כימי

בתעשיות התרופות והאקומימיות, זרזי המימן המוסמכים במיקרוגל הראו הבטחה.לדוגמה, זרז Pd/C שמוכן על ידי פיזור מיקרוגל שימשו למניפולציה סלקטיבית של nitroaromatics לקוויים.הזרזים השיגו המרה מלאה בתוך 30 דקות בלחץ נמוך, בהשוואה ל-2 h עם Pd / C מסחרי, הפעילות המשופרת נקשרה לפיזור גבוה של פצים של צינורות חום ומחסור במיקרוגל.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות הרבים שלה, סינתזת זרז מיקרוגל עמיד בפני כמה מכשולים שיש לטפל בהם לאימוץ תעשייתי נרחב:

  • (FLT:0)Scale-Up hardiess (FLT:1) - רוב כורים מיקרוגל במעבדה להתמודד עם כרכים עד כמה מאות מ"ל. Scaling לטייס או קשקשים ייצור (ליטים למטר מעוקב) דורש הנדסה זהירה לשמור על חלוקת שדה מיקרוגל אחידה.עמוד דפוסים גל יכול ליצור כתמים חמים וקרים בכבדות גדולות יותר, המוביל למיקרוגל רציף עם כורים עם וריאקדמיים מפותחים, אבל הם צורך יותר, אבל אופטימיזציה יותר, אבל הם מורכבים יותר, אבל הם מורכבים יותר.
  • (FLT:0) ,Citquipment Cost and ComplexityFIRLT:1) - גנרטורים במיקרוגל בעוצמה גבוהה, מערכות בקרה טמפרטורה מדויקות וכלי תגובה שיכולים לעמוד בלחץ ובטמפרטורות גבוהות הם יקרים.ההשקעה הראשונית עשויה להיות מונעת עבור יצרנים בקנה מידה קטן.בנוסף, כלי מיקרו ספציפיים (למשל, quartz, Teflon) נדרשים כדי למנוע קשת או ספיגה, תוספת עלויות תפעוליות.
  • (FLT:0) הבנה מוחלטת של תגובה MechanismsssveFLT:1) - ההשפעה של אפקטים לא-thermal מיקרוגל (אפקטים ספציפיים מעבר להתחממות מרבית) נותר שנוי במחלוקת. חלק מהמחקרים מצביעים על כך ששדות מיקרוגל יכולים להוריד אנרגיות הפעלה או לשנות מסלולי תגובה, בעוד אחרים טוענים כי כל השיפורים הנצפה הם עקב מהירות, חימום.
  • (FLT:0 רגישות לחומרים PropertiesFLT:1) לא כל החומרים יחד ביעילות עם מיקרוגלים. Semiconducting או זרז מגנטי יכול לגרום פריקות קשת או חימום לא מבוקר. אבקת מתכת התנהגות גבוהה יכול לשקף מיקרוגלים, המוביל חימום גרוע או ניצוץ.
  • (FLT:0) שיפור יכולת מעבר ל- SystemsFLT:1 – פרופיל החימום בכבדות מיקרוגל רגיש לנפח הדגימה, גיאומטריה, תכונות דיאלקטריות, ונוכחות של התעוררות.

פרספקטיבה עתידית

במבט קדימה, המחקר מתמקד בתגברות על המגבלות הללו וחשיפת יכולות חדשות.

הנדסה מתקדמת

כור מיקרוגל זרימה רצוף עם חללים חוזרים או מחי גלי הליכה נועדו לעלות ללא מקרי מוות. ניטור בזמן אמת של ספיגת כוח מיקרוגל וטמפרטורה באמצעות חיישנים אופטיים או הדמיה תרמית יאפשרו בקרת משוב. Coupling מיקרוגל מערכות עם ניסויים עתירי גבוה (סינתזה משולבת) יכול להאיץ זרז גילוי על ידי סינתזציות וסינכרון ומאות הקרנה של יום אחד.

תהליכי ההשמדה ההיברידיים

שילוב של חימום מיקרוגל עם חימום קונבנציונלי (hybrid) יכול להפחית את חוסר אחידות בקבוצות גדולות.לדוגמה, לפני חימום תערובת התגובה באופן קונבנציונלי ולאחר מכן החל מיקרוגלים עבור הצעד הקריסטליזציה המהיר האחרון יכול לשלב את היתרונות של שתי השיטות. גישות היברידיות כבר נבדק עבור זזוליט ו- MOF סינתזה בקנה מידה הקילוגרם.

שילוב עם Machine Learning

המורכבות של אינטראקציות פרמטר ב-מיקרוגל סינתזזה (כוח, תדירות, זמן, מפתק, ריכוז מבשר) מלווה את עצמה לאופטימיזציה של למידת מכונות.רשתות נילי יכולות לעצב את היחסים בין תנאי סינתזה לבין תכונות זרז, ומאפשר זיהוי מהיר של פרמטרים אופטימליים ללא משפט וטעייה. כמה קבוצות הוכיחו כי אופטימיזציה בייסינזית יכול להפחית את מספר הניסויים הדרושים על ידי 80% תוך השגת ביצועים זרזים מעולים.

כימיה ירוקה וקיימות

יעילות האנרגיה הפנימית ויכולת להשתמש ב- benign Solnts מיקום מיקרוגל סינתזה כטכנולוגיית מפתח לדור הבא, ייצור זרז סביבתי בר קיימא של זרז חימום מיקרוגל עם חשמל מתחדשים (סולר, רוח) יכול עוד decarbonize ייצור כימי.הפיתוח של מערכות פתרון ללא פתרון או מעבור (למשל, באמצעות מיקרוגל-absorbentbentonic ipurs) ולהפחית פסולת.

אדריכלות Catalyst

טכניקות מיקרוגל מתאימות במיוחד לגישה למבנים לכודים קיננטיים: חומרים שאינם יציבים תחת חימום ממושך אבל ניתן ליצור ולייצב באמצעות צומת מהיר.זה עשוי לכלול ⁇ נטיות, זרז חד-אטומי, ומבנים הליבה-shell עם קליפות אולטרה-אין.היכולת למקם שלבים מטבוליים במהירות לאחר חשיפה מהירה של מיקרוגל עשויה לפתוח משפחות חדשות לחלוטין של זרזים.

מסקנה

טכניקות מחוסמות מיקרוגל מייצגות שינוי פרדיגמטי בסינתזה זרז והפעלה. על ידי מתן אנרגיה ישירות אחיד תערובת תגובה, שיטות אלה להפחית את זמני הסינתזה משעות עד דקות, לשפר את אחידות ופעילות של זרז, וצריכת אנרגיה נמוכה יותר.היישומים שלהם משתרע טווח רחב של חומרים קטליטיים - ממתכת חלקיקים וzeolites ועד תחמוצת מתכת ו-MoFs - ו- ו- ו- זרזים לתהליכים מתחדשים כדי להתאים מחדש.

בעוד אתגרים נשארים, במיוחד בקנה מידה ועלויות ציוד, התקדמות מתמשכת בעיצוב כור, בקרת תהליכים ואופטימיזציה חישובית הם לסגור במהירות את הפער בין הבטחת מעבדה למציאות תעשייתית. כמו תעשיית הכימיה נעה לעבר ייצור בר קיימא ויעיל יותר, סינתזה מחוספס מיקרוגל ללא ספק יהיה תפקיד מרכזי יותר ויותר, המאפשר יצירת זרזים גבוהים המניעים תגובות נקיות ויעילות יותר ברחבי העולם.