专利名称：组合多相催化材料的高通量筛选方法
技术领域：
本发明涉及一种快速筛选多相催化剂的组合方法。
背景技术：
组合化学是近20年来发展起来的一种快速合成大量化合物的新方法。组合化学合成技术已经给传统的有机合成化学带来革命性的变化，是有机合成史上的又一次革命，因此被称为近年来科学上取得的重要成就之一。
组合方法的尝试并不是最近才出现的，1963年Merrifield就曾报导过固相多肽合成，这使他获得了1984年的诺贝尔化学奖。80年代，随着Furka对混合裂分法概念的引入和Geysen、Houghten对固相合成编码方案的优化，组合的概念被大大地发展了。这些早期的工作为今天组合方法在制药学和农用化学方面的成功应用打下了基础。
组合法进入材料发展领域的舞台始于Schultz和Xiang1995年的实验，它使人们对组合方法能否用于发现令人感兴趣的无机材料(或者是可以创造出一系列超级材料)产生了好奇。他们的早期薄膜库，是由氧化物前体或者是含有已知可以构成高温超导体的七种元素在内的铜酸盐形成的，这些样品通过热处理变成了晶体膜，就能观察到超导现象！这个尝试使人们对于组合法的应用扩展到材料科学的很多范围，包括磁阻材料、磷光材料、铁电材料、半导体材料、催化剂和分子筛等。
在把组合技术引入到多相催化领域之前，新的催化剂的开发往往经历一个耗资巨大，周期漫长的过程。虽然人们对于催化理论方面的研究已取得一些进展，却仍未能发展出用于预测材料组成、结构和催化功能相关的可靠理论。以至在大多数情况下，不得不依靠经验和直觉的尝试来筛选和发现新的催化材料，人们只能忍受这种“trial and error”的“炒菜式”研究过程。无疑，这种开发过程效率低下，已经成为严重制约催化剂、新催化材料和新催化过程开发的瓶颈。
组合技术的最大特点就是可以一次合成成百上千个目标化合物，通过高通量筛选技术(high-throughput screening，HTS)从含有成百上千个目标化合物或具有期望催化性能的组合催化剂库中筛选出具有最佳催化性能的催化剂。组合技术的引入，不仅可以提高工作效率，降低成本，加速新催化剂和新催化过程的开发，而且，由于催化材料的组成、结构和功能之间相互关系的不可预见性，在组成渐变的组合样品库中，由于结构突变而导致性能突变的催化材料用组合技术更容易被发现，有助于对催化材料组成、结构与功能关系的理论研究。由于从样品库的制备到筛选都是在相同的条件下进行的，增加了各样品间的可比性，避免了传统方法操作误差的影响。
现有的高通量筛选技术大致可以分为两种一种是利用光学方法，对特定的反应或分子产生信号，实现催化材料样品库的原位筛选，由于给出的是各种信号，只能间接地判断催化剂活性和/或选择性，因此适用于一级库的快速筛选；另一种是“常规”方法，把反应后的混合物料从催化剂表面导入常规检测器(如质谱、色谱等)，可以直接计算出反应活性和选择性，一般用于二级库的筛选。
在众多的HTS技术中红外温度记录技术是比较简单、应用广泛的方法。在把模型反应用于样品库筛选时，由于样品库上不同位置催化材料组成不同，其对模型反应的催化能力不同，反应放热也不同，导致催化材料表面温度的变化，用对温度非常敏感的红外照相技术把催化材料表面温度变化记录下来，并用空白成像进行修正，从而达到筛选催化材料的目的。红外温度记录技术虽然能准确、可靠地检测到0.1K的温度变化，但对于每个样品只有几mg甚至μg级的样品库，反应过程中的能量变化所引起的催化材料表面温度变化有多大是值得商榷的。文献中利用该技术进行催化材料筛选的模型反应都是热效应较大的氧化或加氢反应的。而且，红外成像所反映的只是催化材料的活性，反应选择性则没法检测，因此该技术只适用于大规模样品库的初选(一级样品库的筛选)。
加州大学洛杉矶分校化学工程教授Senkan的共振强化多光子离子化技术(Resonance-Enhanced Multiphoton Ionization)可用于组合多相催化材料库筛选中气相物种的检测。该技术利用紫外激光原位对反应产物进行有选择地离子化，然后利用置于样品邻近的微电极收集产物离子化所释放出的光子或电子，通过电信号的不同判断产物生成量的变化，从而达到催化剂筛选的目的。这种方法对于多原子分子可以实现原位检测，可以选择性地离子化目标分子，可以利用激光频率的不同实现对多个产物的检测而且具有非常高的灵敏性；但是，该技术的缺点与其优点一样鲜明，首先，很多分子的REMPI特征要事先通过别的手段加以确定；其次，如果在选定波长内其它分子对紫外也有吸收，这势必影响REMPI检测的准确性；再次，对于具有高离子势(IP)或不能离子化的分子(如甲醇、乙醇)则不能用该方法检测；最后，设备上较大的投资也限制了该技术的推广和使用。
激光诱导荧光成像技术(Laser-Induced Fluorescence Imaging，LIFI)被用于筛选萘选择氧化催化剂。其原理与REMPI很相似，利用激光使目标分子激发，产生荧光信号来实现催化剂的筛选。488nm波长激光只激发萘醌，而不激发萘及主要副产邻苯二甲酸酐，而且荧光信号与萘醌生成量呈线性关系，因此该技术可以很好地用于该催化剂筛选过程。缺点也是非常明显的，并不是所有的分子都可以产生荧光；非目标分子对荧光的吸收；激光器昂贵的价格都限制了该技术的广泛使用。
质谱法是比较成熟而被广泛采用的HTS技术。Symyx的Cong及其同事采用扫描质谱对由Pd，Pt，Rh组成的含有120个组成的合金库进行筛选。在对某一催化剂进行评价时，先用CO2激光将其加热到一定温度，然后通过一个双层同心导气管将反应气输送到催化剂表面，反应后的气体通过双层同心导气管的内管转移到质谱进行分析。可以通过催化剂“芯片”平台的移动使另一个催化剂移至探针下方。Orschel和Maier教授发明了一种类似的方法，在他们的设计中，移动的是包含进气、出气两根毛细管的探针。两种方法都只能检测催化材料的初始活性，对于需要较长稳定期的反应则无能为力。
在线质谱技术则是通过在组合反应器的出口端探针的移动实现对样品库的循环检测的。在对某一催化剂进行检测时，其它催化剂表面上仍然有反应气体通过，保证所有催化剂样品一直处于相同的催化氛围，这样可以对所有样品进行随时检测，解决了前两种设计只能检测初始活性的问题。
以上的HTS技术虽然在一定程度上解决了对多相催化剂样品库的筛选，但方法都还不完善，而且所有反应的操作条件与传统的单管反应器上的反应条件均有很大不同，使得组合筛选结果与传统筛选结果在进行对比时存在困难。
发明内容
本发明涉及一种多相催化剂的组合筛选方法。利用并行组合多相催化反应炉，多路阀质谱检测器，实现多个催化剂的平行检测，连续对所有催化剂上反应转化率和各产物选择性的组合定量分析。反应条件与传统的单管反应器上的反应条件完全相同，结果具有可比性。
本发明中采用的反应器是组合多相催化反应炉，如图1所示。反应物料在反应炉内与催化剂接触后，通过毛细管导出到多路阀中如图2所示。
为保证系统具有良好的密闭性能，图1中反应炉上盖(1)和炉体(2)之间采用石墨垫(3)密封。采用低熔点合金(4)作为加热介质，并用氩气(5)对合金进行保护，以防止合金的氧化，这样的设计可以保证在某一温度下，各反应管间温差小于1℃。反应物料经预热混合后通过进料口进(6)入反应炉。为防止反应气体从反应管(7)外通过，反应管与炉体间采用柔性石墨(8)密封。反应气体通过催化剂床层(9)后由毛细管导出进入多路阀质谱检测系统。在反应炉和多路阀之间采用毛细管(10)连接可以产生较大的压力降，这样由于催化剂装填密度的不同所产生的床层阻力对整个反应过程就不会有任何影响。毛细管的内径一般选择在0.01～1mm，长度一般为0.05～5m。由于同一规格的毛细管的内径并不完全相同，通过各反应管的气体流量也不相同，通过调节催化剂的装填量可以使各个催化剂上气体空速相同。
多路反应气体通过加热保温的毛细管进入如图2所示的多路阀质谱检测系统。为了使物料中所有组分全部汽化，多路阀(11)温度可以根据需要控制在室温～120℃，阀内压力可以通过真空泵(12)调节，其范围在常压～1×10-3mm汞高。在反应过程时，所有气体同时进入阀内，被选择分析的气体中一小部分通过取样管(13)进入分析系统，其余大部分与没被分析的多路气体通过公共排空管(14)排空，在对气体进行取样检测时并不影响气体流速，这样可以保证所有催化剂一直处于相同的化学氛围，实现样品的平行反应。进入检测系统的气体流量随多路阀内气体压力及连接质谱检测器的石英毛细管(15)的内径而变化，一般控制在1～100ml/min(0.1atm)。通过旁路控制阀(16)可以调节进入质谱检测器的气体流量，一般保持质谱内真空度在1×10-5～1×10-10torr。在多路阀进行切换，对下一路气体进行检测时，为了保证上一个被检测的样品在系统中没有残留，需要设定一定的冲洗时间，利用该通道中的气体把上一组分的残余全部置换掉，冲洗时间随气体的组成而不同，一般需要0～10秒。检测每一通道所需的时间随被检测碎片离子的个数和冲洗时间而不同，一般需要1～15秒。通过程序控制，可以对某一通道进行连续检测，也可以对部分或所有通道进行循环检测。该检测方法可以使所有催化剂一直处于相同的化学氛围，不仅可以检测催化剂的初始活性，而且可以进行催化剂寿命检测。由于采用质谱检测器，使得检测速度快，精度高，适用范围广。
为了实现对质谱分析结果的定量分析，选取某一通道，在其出料口处接一六通阀(17)，用气相色谱(18)对产物进行平行分析，通过色谱分析结果对质谱结果进行修正，实现对所有催化剂反应结果的定量检测。在进行反应时，被选定同时用色谱和质谱分析的气体通过六通阀的定量管(19)，进入毛细管，与其它多路气体同时进入多路阀，通过阀的切换实现对所有催化剂的循环检测。在用色谱进行分析时，通过六通阀的切换，使得定量管中的气体被色谱载气(20)带入色谱，实现色谱法对混合气体的定量检测，此时，通过催化剂床层的气体不通过定量管，而直接通过毛细管进入多路阀。六通阀和色谱的连接并不影响气体的通过和质谱的检测。这样的设计可以使某一路气体同时进入色谱和质谱，通过色谱和质谱结果的关联，实现质谱数据的定量检测。
图1为本发明采用的组合多相催化反应炉示意图。
图2为本发明采用的多路阀质谱检测系统示意图。
图3为本发明实施例250℃下丙酮在固体催化剂上缩合1小时时丙酮的转化率。
图4为本发明实施例250℃下丙酮在固体催化剂上缩合1小时时各选定碎片离子相对强度分布。
图5为本发明实施例250℃下丙酮在固体催化剂上缩合1小时时各产物选择性。
具体实施例本实施例所用的装置见图1和图2。对丙酮的自缩合反应进行考察。丙酮缩合反应如下式 为了验证方法的可行性和准确性，某些反应管中装有相同的催化剂，而某些反应管中装有石英砂，进行空白比较。催化剂的装填量平均为0.3g。将装有催化剂的反应管装入组合反应炉中(在该实验中，所使用的组合反应炉为80通道)，用柔性石墨密封，拧紧。密封上盖，通入氩气，并升温至550℃，保持2小时。活化完成后，降至反应温度(250℃)，并用进料泵将丙酮泵入预热管中(预热管温度300℃)，使丙酮蒸汽与氩气混合均匀。为了加速数据的获取和减少数据量，只选定了一些碎片离子进行检测m/e 20(氩气，内标)，m/e 56(异丁烯，IBE)，m/e 58(丙酮，AC)，m/e60(乙酸，AA)，m/e 82(异佛尔酮，IPHO)，m/e 83(异丙叉丙酮，MO)，m/e105(均三甲苯，TMB)，m/e 123(佛尔酮，PHO)。冲洗时间为3s，每一通道数据获取时间为5s。丙酮转化率计算公式为Con.＝100×(I催化剂-I空白)/I空白，其中I为所测定碎片的相对峰度。反应1小时时丙酮的转化结果见图3。选定碎片离子的相对强度分布见图4。由于佛尔酮的生成量一直非常少，为了使产物分布图更清晰，在图4中没有列出佛尔酮的生成结果。
从图3与图4结果可以看出，不同反应管间结果明显不同，特别是装填有石英砂的反应管与有催化剂的反应管间进行比较，说明这种检测方法可靠，各反应管间没有相互影响。
从图5中可以看出，在不同催化剂间，对同一组分(产物)可以通其相对信号强度比较其生成量的多少。举例说，在13X上，MO的信号强度要明显高于其它催化剂，因此可以说，MO在13X上的生成量大于在其它催化剂上的生成量。但是，在对同一催化剂上，不同产物的生成量进行比较时，这种信号强弱与生成量之间的对应关系就不能成立，因为不同的分子由于其结构不同，在离子轰击下其碎裂程度不同，比较不同分子的碎片离子相对强度是没有意义的。众所周知，在一定组成的气体中，其相对信号强度与该离子所代表的物质的摩尔含量存在线性关系，而混合气体中某一气体的摩尔含量很容易用色谱法分析出来，这是用色谱结果修正质谱数据以实现对80个催化剂组合定量分析的基础。选定某一或某几个催化剂，对其反应混合气体同时用色谱和质谱进行检测，IBE，AA，MO，IPHO，TMB与Ar的相对信号强度可以用质谱分析出来，而用色谱可以分析出混合气体中这几种产物与Ar的摩尔含量之比，两组数值之间存在的系数关系同样适用于所有催化剂。这样，利用所计算出的系数对列于图4中的质谱数据进行修正，则可计算出所有80个催化剂上混合气体中各产物的真正摩尔含量。结果见图5。利用该摩尔含量与转化率数据可以计算出各产物的选择性，从而实现对多个催化剂的反应转化率及选择性的组合定量检测。
权利要求
1.一种组合多相催化材料的高通量筛选方法，将并行组合多相催化反应炉中的各反应管通过相应毛细管连接至多路阀质谱检测系统；该反应炉上盖和炉体之间采用石墨垫密封；该反应炉的加热介质为低熔点合金；该反应炉内的反应管与炉体之间为柔性石墨密封；该反应炉内产生的多路反应气体通过相应毛细管同时进入质谱检测系统的多路阀，由该多路阀任意选择一路部分反应气体进入质谱检测器进行分析；剩余气体和其他各路气体经公共排空管排放；其中任意一路毛细管通过一六通阀与多路阀中的任意一路连接，同时该六通阀连接一气相色谱仪；切换该六通阀以控制该路毛细管的气体进入气相色谱仪或通过定量管进入多路阀；反应转化率的计算通过每路反应气体与空白反应管的质谱数据比较得以实现；当该路毛细管中的反应气体进入气相色谱仪和多路阀后得到一色谱结果和一质谱结果，用该两组数值之间的系数关系修正所有气体的质谱结果，得到反应气体中各产物的选择性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多路阀的温度为室温-120℃；阀内压力为常压-110-3mm/汞高。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多路阀进行切换重新选择任意一路气体时，使用该重新选择的气体冲洗检测系统。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应气体通过一旁路控制阀进入质谱检测器。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述旁路控制阀用于控制进入质谱检测器的反应气体流量。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多路阀检测系统对其中一路气体进行连续检测。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多路阀检测系统对各路气体进行循环检测。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述毛细管的内径为0.01～1mm，长度为为0.05～5m。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过各反应管的气体流量通过调节催化剂的装填量使各个催化剂上气体空速相同。
全文摘要
一种组合多相催化材料的高通量筛选方法，将并行组合多相催化反应炉中的各反应管通过毛细管连接至多路阀质谱检测系统。该反应炉内产生的多路反应气体通过毛细管进入质谱检测系统的多路阀，由该多路阀选择任一路部分气体进入质谱检测器分析。其中任一路毛细管通过一六通阀与多路阀中的任一路连接，同时该六通阀连接一气相色谱仪。切换该六通阀以控制该路毛细管的气体进入气相色谱仪或通过定量管进入多路阀；当该路毛细管中的反应气体进入气相色谱仪和多路阀后得到一色谱结果和一质谱结果，用该两组数值之间的系数关系修正所有气体的质谱结果，得到反应气体中各产物的选择性。反应转化率的计算通过每路反应气体与空白反应管的质谱数据比较得以实现。
文档编号G01J3/00GK1504262SQ0215296
公开日2004年6月16日 申请日期2002年11月29日 优先权日2002年11月29日
发明者王 华, 刘中民, 沈江汉, 王 华 申请人:中国科学院大连化学物理研究所