Это исследование, являющееся важным шагом на пути к преодолению разрыва между лабораторными исследованиями и промышленным катализом, могло бы помочь улучшить конструкцию и воздействие на окружающую среду каталитических реакторов, включая крошечные устройства типа «лаборатория на кристалле», которые используются в производстве фармацевтических препаратов. и другие химические продукты.В сообщении от 24 октября в журнале Nature исследователи из Колледжа литературы и науки Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе описывают свой новый метод картирования температур на границе раздела газ-твердое тело, при котором газы изменяются при контакте с твердым катализатором.Измерение распределения температуры внутри реактора имеет решающее значение для понимания энергетики химической реакции, когда реагирующие газы протекают через катализатор, и для оптимизации конструкции реактора. Но до недавнего времени было невозможно измерить температуру газа в реакционной смеси без одновременного возмущения потока внутри работающего реактора.
«Новый метод важен, потому что подавляющее большинство продуктов химической промышленности производится с использованием гетерогенных катализаторов, действующих на границе раздела газ-твердое тело», — сказал старший автор исследования Луи Бушар, доцент кафедры химии и биохимии и член Калифорнийского университета Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Институт наносистем.Под руководством Бушара, лауреата премии Beckman Young Investigator Award 2012 г., аспирантка-химик Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Нанетт Джаренваттананон и ее коллеги применили градиенты магнитного поля, которые обычно используются для создания изображений плотности в МРТ, через каталитический реактор в качестве средство для пространственного кодирования температуры газа. Более теплые молекулы движутся быстрее, что приводит к более долгоживущим сигналам магнитного резонанса, тогда как сигналы от более холодных молекул затухают быстрее.
«Несмотря на то, что существуют методы измерения температуры в жидкостях, существует несколько подходов для отображения свойств газов внутри каталитического реактора без нарушения исследуемого потока», — сказал Бушар. «Неинвазивная природа МРТ позволяет обойти эту проблему и позволяет нам создавать тепловые карты газов в ходе реакции».Исследователи также продемонстрировали микромасштабные изображения МРТ в микрореакторе с использованием параводорода, состояния молекулы водорода, в котором ядра ориентированы в противоположных направлениях.
Во время изученной ими химической реакции — гидрирования пропилена до пропана — параводород является частью молекулы пропана и преобразуется в наблюдаемый ядерный магнетизм для усиления сигнала МРТ.«Возможность следить за реакцией в микрореакторе поможет инженерам и химикам разрабатывать более совершенные устройства типа« лаборатория на кристалле », — сказал Бушар, — которые все чаще используются в фармацевтическом синтезе и промышленных каталитических реакциях.
Каталитические микрореакторы могут предоставить альтернативы экологически чистой химии — меньше химических отходов, более низкая стоимость и минимальные энергетические потери — обычным реакторам промышленного размера, поскольку они облегчают контроль условий химической реакции и работу реактора, приближенную к оптимальным условиям. . Однако давней проблемой было отсутствие инструментов для определения условий химической реакции внутри микрореакторов. Бушар и его сотрудники продемонстрировали неинвазивные карты температур газа внутри микрореакторов с помощью МРТ.Исследование, которое финансируется из федерального бюджета Национальным научным фондом, было проведено в сотрудничестве с Омаром М. Яги, профессором химии из Калифорнийского университета в Беркли, Джеймсом и Нилтье Треттер, чтобы продемонстрировать методологию новых, появляющихся катализаторов на основе металлоорганических каркасов. , которые, по прогнозам, станут идеальными платформами для микромасштабного катализа «лаборатория на кристалле».
Среди других соавторов статьи Стефан Глогглер, Трентон Отто, Арек Мелконян, Уильям Моррис и Скотт Р. Берт (Университет Бригама Янга). Отто и Мелконян — обладатели награды Senior Undergraduate Research Scholar по программе UCLA для студентов-исследователей.
Лаборатория Бушара разрабатывает новую методологию и приборы для визуализации процессов химических реакций и термодинамики в реальном времени.