2018年，Javier Pérez-Ramírez 教授需要为苏黎世联邦理工学院的高级催化工程小组（aCe）开发一套可更快速、更严格进行催化剂测试的新实验装置。本文记录了 Javier Pérez-Ramírez 教授与 Micromeritics 合作开发该实验装置的全过程，并描述了该项目对 aCe 小组研究的初步影响。
与 Micromeritics 一起研发的多通道反应器（MR 4）大幅度提高了实验生产率。另外，该装置可通过改变分压、反应物组分和重时空速（WHSV）来有效地收集某种催化剂的动力学数据。在满足实验要求前提下，为降低成本和设备复杂性，Javier Pérez-Ramírez 教授决定将四个反应器放置在一个加热炉中，四个反应器反应温度相同，可以调控实验温度来研究温度对反应的影响。Micromeritics 也可以提供对每个反应器单独控温的方案。该装置一周内能够收集每种催化剂大约 60 – 120 个动力学数据点，具有相当可观的实验输出数据量。
Micromeritics 是这个项目专业的合作伙伴，我们对结果非常满意！Micromeritics 非常愿意合作，并提供优秀的工程技能。我们很高兴看到该新装置加快了我们的实验进度。展望未来，它将在我们学术和工业伙伴的合作中发挥重要作用，展现了我们利用机器学习技术推进多相催化科学的能力。”
——Javier Pérez-Ramírez 教授
*Javier Pérez-Ramírez 教授在高压实验室中
苏黎世联邦理工学院的 aCe 小组一直致力于研究多相催化的前沿技术，专注于可持续技术的应用开发。他们的研究涉及候选催化剂的精确合成和高级表征，建立长度尺度上从分子尺度到块体尺度的结构与功能关系，以及在工业相关工艺条件下评价催化剂。该小组由 Javier Pérez-Ramírez 教授指导，他是一位屡获殊荣的化学工程师，以设计催化剂应对重大社会问题而闻名。他的核心研究包括天然气功能化、二氧化碳稳定化以及生物质向化学构件的转化。
aCe 小组最近的一项成果是在氧化铟结构中插入了钯原子，合成出的催化剂可将二氧化碳和氢气直接转化为甲醇，并具有很高的催化活性[1]。甲醇是一种重要的燃料和化学品，通常由合成气（一氧化碳和氢气的混合物）反应生成，合成气的原料是化石燃料。相比之下，二氧化碳的直接转化能消耗环境问题中的废气。该催化剂的商业潜力已得到全球能源公司道达尔的认可，道达尔与 Javier Pérez-Ramírez 教授一起合作研究应用这项技术[2]。扩大该二氧化碳稳定化项目就需要投入新设备，引入新投资，提高该小组收集详细和准确的动力学数据的速度。
催化剂开发流程
与商业或工业催化剂不同，基础研究所用的多相催化剂是由单一的块状或负载的粉末活性成分组成[3]。催化剂的开发是为某一目标反应合成候选催化剂，结合一系列表征分析技术对各种候选催化剂进行筛选。aCe 小组使用 Micromeritics 多台表征分析设备来阐明反应机理，通过以下表征方法定义催化特性：
物理吸附：量化比表面积和孔隙率，定义催化剂分散度，以及特定分子向催化位点移动和离开催化位点的容易程度
化学吸附：量化和表征催化剂的活性位点及其对特定分子的反应活性
程序升温分析：如程序升温还原 TPR、程序升温氧化 TPO 和程序升温脱附 TPD，研究催化反应以及失活机制
通过这些表征技术，研究员可专注于最有前途的候选催化剂研究上，研究如何在分子水平上优化反应环境。该小组在采用这些表征技术获得的信息直接研究不同纳米结构的催化剂反应活性上是非常专业的。然而，研究特定反应的催化剂性能、测试催化剂稳定性以及获得可靠的动力学数据需要进行更广泛的催化剂评价。
aCe 小组使用 Micromeritics 微型流动反应器FR 100 在工业相关工艺条件下评价催化剂。FR 100 是一台全自动模块化实验室反应器，可研究催化剂活性、产率和选择性。测试只需要几克催化剂，完整收集反应的质量平衡数据。精确控制流入反应器气态反应物的质量流量，而液体进料通过计量泵以精确的已知流量引入。产物和未反应的反应物通过低体积分离器分离成液体流和气体流，进行成分分析，计算质量平衡。aCe 小组的 FR 100 设备只内置一根反应管，限制了单次可筛选的催化剂数量。为满足测试需要，aCe 小组需要投资新装置，将 FR 100 的测试能力提高四倍，提高实验产率。
*Micromeritics 微型流动反应器 FR 100 催化剂筛选装置示意图“
设计可收集更大数据量的装置，走向“大数据”？
人工智能和机器学习技术具有加速和增强多相催化剂研究的潜力。这些技术依赖于大数据，这就需要更高的实验生产率来收集大量的数据。因此，收集大量高质量动力学数据越来越重要。Javier Pérez-Ramírez 教授指出，应用尖端机器学习技术加速氧化铟催化剂开发的潜在价值是他决定投资催化剂评价新装置的决定性因素。
装置的主要设计标准包括:
四个反应器，能够同时测试多种候选催化剂
与现有的单台气相色谱仪GC联用，最大限度降低成本
全自动控制和集成软件，能够有效地处理大量数据
Javier Pérez-Ramírez 教授与许多潜在供应商讨论了这些设计标准，尝试寻找合适的合作伙伴。仅用一台气相色谱仪 GC 对四个反应器的产物进行有效分析是一个非常大的挑战，很少有供应商提出可行的硬件设计。针对该问题，Micromeritics 提出了非常稳健的解决方案，结合在 FR 100 的使用体验中充分证明了 Micromeritics 在控制和软件方面的能力，Javier Pérez-Ramírez 教授最终选择 Micromeritics 合作开发该装置。微反应器系统在精确控制反应物的量，反应温度以及实现全自动化等方面都存在挑战，而这些都是完成一个高效、准确实验的关键。Micromeritics 应用在硬件和软件设计上的专业知识，满足 Javier Pérez-Ramírez 教授对化学和实验要求，一起合作开发此项目。
实验新装置
该项目从最初签署书面文件到完成安装大约花费了九个月。Micromeritics 花了两个月调试和优化最终的装置，该装置复杂而庞大，占地面积约为 3m×3m。MR 4 早已全面投入运行，其具备两种催化剂测试模式：
同时筛选四种不同的催化剂，一天内可对每种样品进行两到三种不同反应条件的测试
在不同条件下对四种不同催化剂进行长时间的测试，收集多个动力学数据
Micromeritics 采用新颖的歧管设计确保从测试的早期就可以快速同时地从四个反应器的产物中取样。取好的样品有效地“排队”进入单台 GC 进行分析，这样可确保同时评价不同反应器中催化剂性能。此外，反应早期发生的任何变化都能被有效地记录。相比之下，对每个反应器进行依次采样分析产物，如果按照每个反应器分析大约需要 15 分钟计算，对最后一个反应器取样分析时的反应状态与第一个反应器内的反应状态之间相差 45 分钟。这种依次取样测试的方法可能会丢失催化剂的失活，如降低实验效率等信息。
*Micromeritics 催化剂多反应器 MR 4，高效催化剂评价装置
该装置的软件操作界面与现代工厂控制室的界面相似，功能强大、操作简单。拥有强大的数据处理能力，可实时处理实验生成的大量数据。与需要将实验结果导出到单独的电子表格和数据处理包的设计相比，具有非常明显的优势。例如，反应选择性与时间或流速的瞬时图可有效地监测实验过程。并在必要时，为研究观察到的趋势改变实验条件作数据支持，这些能力直接影响有用信息的生成速度。
应用该新装置，aCe 小组一周内可筛选 20 – 24 种不同的候选催化剂。另外，该装置可通过改变分压、反应物组分和重时空速（WHSV）来有效地收集某种催化剂的动力学数据。在满足实验要求前提下，为降低成本和设备复杂性，Javier Pérez-Ramírez 教授决定将四个反应器放置在一个加热炉中，四个反应器反应温度相同。可以调控实验温度来研究温度对反应的影响。Micromeritics 也可以提供对每个反应器单独控温的方案。该装置一周内能够收集每种催化剂大约 60 – 120 个动力学数据点，具有相当可观的实验输出数据量。
参考文献
[1] Frei MS, Mondelli C, Garcia-Muelas R, Kley KS, Puértolas B, López N, Safonova O, Stewart JA, Curulla Ferré D, Pérez-Ramírez J ‘Atomic-scale engineering of indium oxide
promotion by palladium for methanol production via CO2 hydrogenation.’ Nature Communications, 29 July 2019, doi: 10.1038/s41467-019-11349-9
[2] Bergamin F, ‘A catalyst for sustainable methanol’ ETH Zurich news item.
Available to view at: 网页
[3] Mitchell S, Michels NL, Pérez-Ramírez J ‘From powder to technical body: the undervalued science of catalyst scale up’ Chem Soc Rev, 2013, DOI: 10.1039/c3cs60076a
关于麦克默瑞提克
Micromeritics 是提供表征颗粒、粉体和多孔材料的物理性能、化学活性和流动性的全球高性能设备生产商。我们能够提供一系列行业前沿的技术，包括比重密度法、吸附、动态化学吸附、压汞技术、粉末流变技术、催化剂活性检测和粒径测定。
公司在美国、英国和西班牙均设立了研发和生产基地，并在美洲、欧洲和亚洲设有直销和服务业务。Micromeritics 的产品是全球具有创新力的知名企业、政府和学术机构旗下 10,000 多个实验室的优选仪器。我们拥有世界级的科学家队伍和响应迅速的支持团队，他们能够将 Micromeritics 技术应用于各种要求严苛的应用中，助力客户取得成功。
