3Dプリントされた動的触媒反応器：不均一触媒反応の効率を向上させる新しいアプローチ

出典: MaterialsViews

世界のエネルギーと環境の問題がますます顕著になるにつれ、従来の化学合成業界に対する要求はますます高まっています。反応効率を向上させ、分離プロセスによるエネルギー消費と汚染を削減する新しい技術の開発は、緊急に解決する必要がある重要な課題です。化学品製造において、固体触媒を伴う不均一触媒反応は非常に重要な反応プロセスであり、さまざまな有機化学物質の製造に広く使用されています。不均一触媒反応では、分子レベルでの反応プロセスと分子グループレベルでの物質移動プロセスの両方が不均一界面の周囲で起こります。したがって、物質の拡散と界面間の反応プロセスを相乗的に制御することで、マクロレベルでの反応の効率的な変換を実現できます。

△従来の触媒反応器従来の多相反応では、反応器と触媒は2つの別々の部分であり、反応器は主に運搬の役割を果たします。同時に、反応器の構造と触媒の充填方法は流体の動きに影響を与え、それによって物質の移動と拡散に影響を与えます。触媒のサイズや充填量が不均一だと、反応器内の温度、濃度、圧力分布が不均一になり、さまざまな副産物が生成される可能性があります。その後、構造触媒が開発され、触媒を複数のチャネルを持つ反応器にすることで、物質の伝達圧力が低減され、反応物と触媒の接触面積が増加しました。最近、3D プリント技術の台頭により、研究者は 3D プリント技術を使用して、さまざまな反応分野で使用するためのさまざまな構造触媒を開発しています。しかし、現在の研究は主に、印刷された静的リアクターの触媒活性に限られています。リアクター内の流体は依然として外部圧力によって受動的に混合されており、リアクターと流れる反応物の間には十分な相互作用がありません。これは本質的に従来の構造触媒と変わらず、高性能構造物の製造における 3D 印刷技術の高度な性質を十分に反映していません。同時に、3D プリント技術をもってしても、小さな反応チャネルは製造が難しく、成功率が低く、簡単に詰まってしまいます。伝統的な流体混合方法として、撹拌反応器は反応システム内の温度と濃度の勾配を効果的に排除し、反応の不均一性を低減することができます。しかし、撹拌タンク反応器における触媒の回収は、常に解決が難しい課題でした。

これらの問題に対処するため、大連理工大学化学工学部の Tao Shengyang 氏の研究グループは、3D プリント技術と界面の化学修飾を利用して、界面の微細構造と触媒活性の両方を備えた動的撹拌触媒反応器を準備しました。一方、研究者らはデジタルモデリング、計算構造力学、流体力学を用いて撹拌機の構造を設計・分析し、界面に強い渦運動エネルギーを持つ領域を形成して物質の移動と拡散を促進できるようにした。一方、研究者らは重合可能なイオン液体を設計・合成し、撹拌機を化学的に改質してイオン交換特性を持たせました。イオン交換と還元により金属ナノ粒子を撹拌機に搭載することで、触媒活性を持つインターフェースが得られます。撹拌機は拡散プロセスと反応プロセスを完全に結合し、多相反応の触媒効率を大幅に向上させます。研究チームはこのアイデアを利用して、ニトロフェノールの還元、鈴木カップリング、染料廃水の脱色反応に優れた触媒効果を発揮する、角柱状の界面構造とPd触媒活性を備えた撹拌子を設計・製造した。高温濾過実験では、触媒の漏れが極めて少なく、反応後に撹拌子を反応液から簡単に引き出すことができ、従来の撹拌反応における触媒分離の難しさという問題を克服した。

動的触媒撹拌機は、デジタル設計と製造、有限要素計算分析、およびインターフェース化学修飾を組み合わせ、現代のデジタル情報技術と伝統的な化学分子設計方法の間の高度な相互連携を反映しています。このプロセスはシンプルで、制御可能であり、適用も簡単です。また、3Dプリント技術は製造物を迅速に拡大できるという利点もあり、この触媒反応器のサイズも実際の生産要件を満たす規模まで拡大できると期待されています。 3D プリンティングと界面化学修飾を組み合わせることで、不均一触媒反応用デバイスを製造する強力な手段になると考えられています。

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