高通量實驗的利器：微型全自動催化劑評價技術(shù)綜述

一、技術(shù)演進：從傳統(tǒng)評價到智能高通量的跨越

      催化研究的效率瓶頸長期受制于傳統(tǒng)評價方法的局限 —— 設(shè)備體積龐大、樣品消耗量達克級至毫升級、單組實驗周期長達數(shù)小時至數(shù)天，且人工操作誤差顯著影響數(shù)據(jù)可靠性。20 世紀(jì) 80 年代末高通量篩選（HTS）技術(shù)興起后，催化評價開始向自動化轉(zhuǎn)型，但早期系統(tǒng)仍存在通量不足、檢測滯后等問題。

     近年來，微型全自動催化劑評價技術(shù)實現(xiàn)了突破性發(fā)展，其核心演進邏輯體現(xiàn)為三大融合：微流控技術(shù)的微型化突破，將反應(yīng)體積壓縮至納升 - 微升級別，傳質(zhì)傳熱效率提升 1-2 個數(shù)量級；自動化系統(tǒng)的集成化發(fā)展，實現(xiàn)從樣品制備到數(shù)據(jù)輸出的全流程無人干預(yù)；人工智能的深度賦能，突破非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)解析與實驗條件優(yōu)化的瓶頸。浙江大學(xué)開發(fā)的光催化評價系統(tǒng)更是將篩選通量從傳統(tǒng)實驗室的每日不足 10 次提升至 10,000 次，反應(yīng)時間縮短 4300 倍，標(biāo)志著該技術(shù)進入超高通量時代。

二、核心技術(shù)架構(gòu)：微型化與智能化的協(xié)同設(shè)計

（一）基礎(chǔ)支撐單元：微流控反應(yīng)系統(tǒng)

        微流控芯片是技術(shù)核心，通過光刻、蝕刻等微加工技術(shù)構(gòu)建高精度通道網(wǎng)絡(luò)（數(shù)十至數(shù)百微米），實現(xiàn)多相流體的精準(zhǔn)操控。其關(guān)鍵創(chuàng)新包括：

高效反應(yīng)模塊：采用液芯波導(dǎo)（LCW）技術(shù)的光催化微反應(yīng)器，通過激光多次全反射使光通量達 3.5×10? mW/cm2，是傳統(tǒng)系統(tǒng)的 1 萬倍，配合套管式溫控結(jié)構(gòu)可將反應(yīng)溫度穩(wěn)定在 25±2℃；

低耗設(shè)計：反應(yīng)體積僅為傳統(tǒng)裝置的 1/1000-1/100，催化劑用量降至毫克級甚至微克級，顯著降低貴重材料研究成本；

并行擴展：陣列式微反應(yīng)器可集成數(shù)十至數(shù)百個獨立單元，支持多催化劑、多條件同步評價。

（二）檢測與控制體系：實時性與精準(zhǔn)性的雙重保障

高靈敏檢測技術(shù)：主流采用微流控 - 質(zhì)譜聯(lián)用方案，實現(xiàn)產(chǎn)物的秒級定性定量分析，檢測限低至納摩爾級，同時支持多組分同步監(jiān)測。部分系統(tǒng)進一步集成原位紅外、拉曼光譜等表征手段，實時追蹤催化劑結(jié)構(gòu)演變；

全自動控制系統(tǒng)：基于 LabVIEW 等平臺開發(fā)的程序可精準(zhǔn)調(diào)控溫度、壓力、流速等參數(shù)，配合選擇閥與注射泵組成的液體處理模塊，2 分鐘內(nèi)即可完成毫升級反應(yīng)物的自動混合，且支持 12,000 種以上反應(yīng)條件的正交篩選。

（三）智能賦能模塊：AI 驅(qū)動的效率躍升

      人工智能技術(shù)解決了高通量篩選中的兩大核心難題：

非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)解析：通過隨機森林、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等 10 種回歸模型，從動態(tài)峰狀信號中預(yù)測穩(wěn)態(tài)吸光度，將實驗循環(huán)時間從 32 秒縮短至 8.5 秒；

智能實驗設(shè)計：基于歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練的預(yù)測模型可指導(dǎo)催化劑配方優(yōu)化，強化學(xué)習(xí)算法能動態(tài)調(diào)整反應(yīng)參數(shù)，減少盲目實驗。

三、典型應(yīng)用場景：多領(lǐng)域的催化研發(fā)加速

（一）光催化材料開發(fā)

在 (2+2) 環(huán)加成等有機合成反應(yīng)中，微型全自動系統(tǒng)實現(xiàn)了 12,000 種條件的高通量篩選，成功發(fā)現(xiàn)高收率反應(yīng)參數(shù)組合。其秒級反應(yīng)能力與 AI 預(yù)測結(jié)合，為光催化劑結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了大數(shù)據(jù)支撐。

（二）能源與環(huán)境催化

在生物質(zhì)熱解領(lǐng)域，系統(tǒng)可模擬復(fù)雜氣氛與溫度變化，快速評價催化劑對生物油產(chǎn)率的影響，助力可持續(xù)能源工藝開發(fā)。在 CO?加氫等反應(yīng)中，通過多參數(shù)同步調(diào)控，實現(xiàn)催化劑活性與選擇性的高效優(yōu)化。

（三）工業(yè)催化劑篩選

針對 MOFs 材料、金屬摻雜催化劑等工業(yè)候選材料，并行反應(yīng)模塊可每日完成數(shù)百種樣品的穩(wěn)定性測試，結(jié)合原位表征數(shù)據(jù)揭示構(gòu)效關(guān)系，顯著縮短工業(yè)化周期。

四、現(xiàn)存挑戰(zhàn)與未來趨勢

（一）當(dāng)前技術(shù)瓶頸

設(shè)備成本與國產(chǎn)化：高級液體處理機器人、微型質(zhì)譜儀等核心部件依賴進口，單套系統(tǒng)成本常超百萬，國產(chǎn)化率不足 30%；

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化缺失：不同實驗室的芯片設(shè)計、檢測參數(shù)存在差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以跨平臺對比，假陽性問題影響結(jié)果可靠性；

復(fù)雜體系適配性：對于氣 - 固 - 液三相反應(yīng)，微通道易發(fā)生堵塞，現(xiàn)有系統(tǒng)仍需優(yōu)化流體操控策略。

（二）前沿發(fā)展方向

超微型與單分子水平：結(jié)合納米技術(shù)開發(fā)單細胞級反應(yīng)單元，實現(xiàn)催化劑活性位點的單分子表征；

多技術(shù)深度集成：構(gòu)建 “微流控 + 原位多譜學(xué) + AI” 一體化平臺，如將 XRD 與質(zhì)譜聯(lián)用，同步獲取結(jié)構(gòu)與性能數(shù)據(jù)；

開源共享平臺建設(shè)：參考 iChemFoundry 平臺模式，構(gòu)建跨機構(gòu)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)，推動標(biāo)準(zhǔn)化實驗流程落地；

條件拓展：開發(fā)高溫高壓微反應(yīng)器，適配航空燃料催化、頁巖氣轉(zhuǎn)化等工業(yè)場景需求。

五、結(jié)論

       微型全自動催化劑評價技術(shù)通過 “微型化反應(yīng) - 自動化操控 - 智能化解析” 的三位一體創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)催化研究的范式。其在光催化、能源轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域的應(yīng)用已展現(xiàn)出顯著的研發(fā)加速效應(yīng)，盡管面臨設(shè)備成本與標(biāo)準(zhǔn)化等挑戰(zhàn)，但隨著 AI 與微流控技術(shù)的持續(xù)融合，該技術(shù)必將成為推動催化材料創(chuàng)新與工業(yè)升級的核心引擎，為綠色化學(xué)、新能源等重大戰(zhàn)略領(lǐng)域提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

產(chǎn)品展示

       SSC-MACE900微型全自動催化劑評價系統(tǒng)（Micro-automated Catalyst Evaluation System，Automated Fixed-Bed System），實現(xiàn)了固定床反應(yīng)的全自動化操作，連續(xù)流反應(yīng)。 

產(chǎn)品優(yōu)勢：

1.自動壓力控制；

2.自動流量控制；

3.氣液混合汽化；

4.反應(yīng)爐恒溫區(qū)100mm；

5.全組分和氣液分離組分檢測自動切換；

6.快速自動建壓； 

7.多層報警安全聯(lián)動，本質(zhì)安全化設(shè)計；