Millifluidics per sintesi chimica e risolte nel tempo meccanicistici Studies
Summary
Dispositivi Millifluidic sono utilizzati per la sintesi controllata dei nanomateriali, analisi risolta nel tempo dei meccanismi di reazione e catalisi flusso continuo.
Abstract
Procedure che utilizzano dispositivi millifluidic per la sintesi chimica e studi meccanicistici risolte nel tempo sono descritte prendendo tre esempi. Nel primo, la sintesi di ultra-piccole nanocluster rame è descritto. Il secondo esempio fornisce loro utilità per indagare risolte nel tempo cinetica delle reazioni chimiche analizzando formazione di nanoparticelle d'oro utilizzando nella spettroscopia di assorbimento di raggi X situ. L'ultimo esempio viene illustrato catalisi flusso continuo di reazioni all'interno del canale millifluidic rivestiti con catalizzatore nanostrutturato.
Introduction
Dispositivi Lab-on-a-chip (LOC) per sintesi chimica hanno dimostrato un significativo vantaggio in termini di aumento di massa e trasferimento di calore, controllo di reazione superiore, alta produttività e ambiente operativo più sicuro 1. Questi dispositivi possono essere classificati in fluidica di chip basati e dispositivi fluidici nonchip based. Tra i fluidica basati su chip, microfluidica è ben studiata e un argomento ben trattato nella letteratura 2-5. Sistemi basati LOC Nonchip utilizzano reattori tubolari 6. Convenzionalmente, sistemi microfluidici sono utilizzati per un controllo preciso e manipolazione di fluidi che sono geometricamente vincolati a scala submillimetrica. Abbiamo recentemente introdotto il concetto di millifluidics basati su chip, che possono essere utilizzati per la manipolazione di fluidi in canali in scala millimetrica (larghezza o profondità o entrambi i canali sono almeno un millimetro) 7-9. Inoltre, i chip millifluidic sono relativamente facili da fabbricare whiLe offrendo controllo analogo su portate e la manipolazione dei reagenti. Questi chip possono essere usati anche a portate più elevate, creando tempi di permanenza più piccole, così, che offre la possibilità di scale-up di sintesi controllata di nanoparticelle con distribuzione granulometrica ristretta. Come esempio, abbiamo recentemente dimostrato la sintesi di ultra-piccole nanocluster rame e caratterizzato mediante spettroscopia di assorbimento di raggi X situ e TEM. Possibilità di ottenere piccoli tempi di permanenza all'interno dei canali millifluidic in combinazione con l'uso di MPEG, che è molto efficiente bidentato PEGylated agente stabilizzante per la formazione di colloidi stabili di nanocluster rame 7.
Oltre alla sintesi di prodotti chimici e nanomateriali, i millifluidics potrebbe offrire, grazie alla maggiore volume e la concentrazione nella zona di sonda, una piattaforma sintetico che è più generalizzato ed efficiente per studi cinetici risolta nel tempo e anche ragVES migliore rapporto segnale-rumore rispetto ai sistemi microfluidici 7,10. Mostriamo l'uso di chip di millifluidic come esempio per tempo risolto analisi della crescita di nanostrutture oro da soluzione utilizzando in situ XAS con una risoluzione temporale di soli 5 msec 11.
Inoltre, la maggioranza dei micro reattori sviluppati fino ad oggi per applicazioni di catalisi si riferiscono al 12,13 silicio. Loro fabbricazione costosa oltre a piccoli volumi generati li rende inadatti per la produzione su larga scala. I due metodi generali per rivestire i canali con nanocatalysts – chimico-fisiche, spesso definito come le procedure di rivestimento di silicio, sono attualmente in voga 14,15. Oltre a costoso micro fabbricazione, intasamento dei canali rende micro reattore catalisi può essere adatta per la produzione su larga scala. Sebbene microreattori sono state utilizzate per la catalisi eterogenea in micro continuo flusso attraverso processi earlier 16-18, la capacità di controllare la dimensione e morfologia dei catalizzatori nanostrutturati oro incorporati nei canali di flusso continuo è stato mai esplorate prima. Abbiamo recentemente sviluppato una tecnologia per rivestire i canali millifluidic con Au catalizzatori, dopo aver controllato nano morfologia e dimensioni (Figura 5) 11, per la realizzazione di catalisi di reazioni chimiche industrialmente importanti. Come esempio abbiamo dimostrato conversione di 4-nitrofenolo in 4-amminofenolo catalizzata da oro nanostrutturato rivestite all'interno dei canali millifluidic. Considerando che un singolo chip reattore millifluidic può produrre portate di 50-60 ml / hr, 7 ad alta produttività e sintesi controllata di sostanze chimiche è possibile sia attraverso il funzionamento di flusso continuo o elaborazione parallela.
Al fine di sfruttare le possibilità dei millifluidics offrono, con alcuni esempi descritti come sopra, anche noi dimostriamo un user-friendlydispositivo millifluidic che è portatile e ha i tutti i componenti necessari quali chip millifluidic, collettori, regolatori di flusso, pompe e collegamenti elettrici integrati. Tale dispositivo millifluidic, come mostrato nella figura 7, è ora disponibile presso la società Millifluidica LLC ( www.millifluidica.com ). Il manoscritto fornisce anche i protocolli usando il dispositivo millifluidic portatile, come descritto di seguito, per la sintesi controllata di nanomateriali, analisi risolta nel tempo dei meccanismi di reazione e catalisi flusso continuo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le UCNCs sono formate dalla reazione di riduzione di nitrato di rame con boroidruro di sodio in presenza di agente polimerico tappatura O-[2 – (3-Mercaptopropionylamino) etil]-O'-methylpolyethylene glicole (MW = 5.000) [MPEG]. La reazione è stata effettuata all'interno del reattore di chip millifluidic a diverse portate come 6,8 ml / h, 14,3 ml / h, 32,7 ml / h, e 51,4 ml / h per studiare l'effetto delle portate sui UCNCs formate. I rispettivi tempi di permanenza per i flussi di cui sopra sono 47.49, 24.44,…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro di ricerca è supportata come parte del Centro per livello atomico Catalyst Design, Frontier Centro di ricerca energetica finanziata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Ufficio di Scienze di base dell'energia sotto Award Numero DE-SC0001058 e sostenuto anche dal Consiglio di Regents sotto sovvenzioni numero aggiudicazione LEQSF (2009-14)-EFRC-Match e LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. Operazioni MRCAT sono supportate dal Dipartimento dell'Energia e delle istituzioni aderenti MRCAT. L'uso del Advanced Photon Source di ANL è sostenuta dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Ufficio di Scienze di base dell'energia, nell'ambito del contratto n ° DE-AC02-06CH11357. Il sostegno finanziario per JTM è stato fornito come parte dell'Istituto per Atom-efficienti trasformazioni chimiche (IACT), un centro di ricerca energetica Frontier finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Ufficio delle Scienze di base dell'energia.
Materials
| Copper (II) nitrate hydrate | Sigma-Aldrich | 13778-31-9 | 99.999% pure |
| O-[2-(3-mercaptopropionylamino)ethyl]-O′-methylpolyethylene glycol | Sigma-Aldrich | 401916-61-8 | MW=5,000 |
| HAuCl4.3H2O (Chloroauric acid) | Sigma-Aldrich | 27988-77-8 | 99.999% pure |
| meso-2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA) | Sigma-Aldrich | 304-55-2 | ~98% pure |
| 4-Nitrophenol | Sigma-Aldrich | 100-02-7 | spectrophotometric grade |
| 4-Aminophenol | Sigma-Aldrich | 123-30-8 | >99% pure (HPLC grade) |
| Sodium borohydride | Sigma-Aldrich | 16940-66-2 | 98% pure |
| Sodium hydroxide pellets | Sigma-Aldrich | 1310-73-2 | 99.99% pure |
| [header] | |||
| EQUIPMENT | |||
| Millifluidic Chips | Microplumbers Microsciences LLC | SDC-01 | Made from polyester terephthalate polymer |
| Pressure Pump | Mitos P-Pump, Dolomite | 3200016 | |
| Automated Syringe Pump | Cetoni Automation and Microsystems, GmbH | Syringe pump neMESYS | |
| UV-3600 UV-VIS-NIR Spectrophotometer | Shimadzu | ||
| Hand-held Millifluidic Device | Millifluidica | SCMD-1008 | Figure 7 |
References
- Song, Y., Hormes, J., Kumar, C. S. S. R. Microfluidic Synthesis of Nanomaterials. Small. 4 (6), 698-711 (2008).
- Huebner, A., Sharma, S., Srisa-Art, M., Hollfelder, F., Edel, J. B., DeMello, A. J. Microdroplets: a sea of applications. Lab Chip. 8, 1244-1254 (2008).
- Helen, S., Delai, L. C., Rustem, F. I. Reactions in Droplets in Microfluidic Channels. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).
- Marre, S., Jensen, K. F. Synthesis of nanostructures in microfluidic systems. Chem. Soc. Rev. 39, 1183-1202 (2010).
- Theberge, A. B., Courtois, F., Schaerli, Y., Fischlechner, M., Abell, C., Hollfelder, F., Huck, W. T. Microdroplets in microfluidics: an evolving platform for discoveries in chemistry and biology. Angew. Chem. Int. Ed. 49 (34), 5846-5868 (2010).
- Nicolas, L., Flavie, S., Pierre, G., Pascal, P., Annie, C., Bertrand, P., Cindy, H., Patrick, M., Samuel, M., Thomas, D., Cyril, A., Pascale, S., Laurent, P., Christopher, G., Emmanuel, M. Some recent advances in the design and the use of miniaturized droplet-based continuous process: Applications in chemistry and high-pressure microflows. Lab Chip. 11, 779 (2011).
- Biswas, S., Miller, J. T., Li, Y., Nandakumar, K., Kumar, C. S. S. R. Developing Millifluidic Platform for Synthesis of Ultra-small Nanoclusters (UNCs): Ultra-small Copper Nanoclusters (UCNCs) as a Case Study. Small. 8 (5), 688-698 (2012).
- Li, Y., Sanampudi, A., Reddy, V. R., Biswas, S., Nandakumar, K., Yamane, D. G., Goettert, J. S., Kumar, C. S. S. R. Size Evolution of Gold Nanoparticles in a Millifluidic Reactor. Phys. Chem. Phys. 13 (1), 177-182 (2012).
- Li, Y., Yamane, D. G., Li, S., Biswas, S., Reddy, R., Goettert, J. S., Nandakumar, K., Kumar, C. S. S. R. Geometric Optimization of Liquid-Liquid Slug Flow in a Flow-focusing Millifluidic Device for Synthesis of Nanomaterials. Chem. Eng. J. 217, 447-459 (2013).
- Zinoveva, S., De Silva, R., Louis, R. D., Datta, P., Kumar, C. S. S. R., Goettert, J., Hormes, J. The wet chemical synthesis of Co nanoparticles in a microreactor system: A time-resolved investigation by X-ray absorption spectroscopy. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 582, 239-241 (2007).
- Krishna, K. S., Navin, C. V., Biswas, S., Singh, V., Ham, K., Bovenkamp, G. L., Theegala, C. S., Miller, J. T., Spivey, J., Kumar, C. S. S. R. Millifluidics for Time-resolved Mapping of the Growth of Gold Nanostructures. J. Am. Chem. Soc. 135 (14), 5450-5456 (2013).
- Kumar, C. S. S. R. . Microfluidic Devices in nanotechnology-Fundamental Concepts. , (2010).
- Kumar, C. S. S. R. . Microfluidic Devices in nanotechnology-Fundamental Concepts. , (2010).
- Meille, V. Review on Methods to Deposit Catalysts on Structured Surfaces. Appl. Catal. A Gen. 315, 1-17 (2006).
- Shin, W. C., McDonald, J. A., Zhao, S., Besser, R. Etching Characteristics of a Micromachined Chemical Reactor Using Inductively Coupled Plasma. , p357 (2002).
- Abahmane, L., Köhler, J. M., Groß, G. A. Gold-nanoparticle-catalyzed synthesis of propargylamines: the traditional A3-multicomponent reaction performed as a two-step flow process. Chem. Eur. J. 17, 3005-3010 (2011).
- Abahmane, L., Knauer, A., Ritter, U., Köhler, J. M., Groß, G. A. Heterogeneous Catalyzed Pyridine Synthesis using Montmorillionite and Nanoparticle-Impregnated Alumina in a Continuous Micro Flow System. Chem. Eng. Technol. 32, 1799-1805 (2009).
- Abahmane, L., Knauer, A., Köhler, J. M., Groß, G. A. Synthesis of polypyridine derivatives using alumina supported gold nanoparticles under micro continuous flow conditions. Chem. Eng. J. 167, 519-526 (2011).
- Negishi, Y., Tsukuda, T. One-Pot Preparation of Subnanometer-Sized Gold Clusters via Reduction and Stabilization by meso-2,3-Dimercaptosuccinic Acid. J. Am. Chem. Soc. 125, 4046-4047 (2003).
- Abou-Hassan, A., Sandre, O., Cabuil, V. Microfluidics in Inorganic Chemistry. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 6268-6286 (2010).
- Jiang, D., Walter, M., Dai, S. Gold Sulfide Nanoclusters: A Unique Core-In-Cage Structure. Chem. Eur. J. 16, 4999-5003 (2010).
- Kuroda, K., Ishida, T., Haruta, M. Reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol over Au nanoparticles deposited on PMMA. J. Mol. Catal. A Chem. 298, 7-11 (2009).
- Navin, C. V., Krishna, K. S., Theegala, C. S., Kumar, C. S. S. R. Lab-on-a-chip devices for gold nanoparticle synthesis and their role as a catalyst support for continuous flow catalysis. Nanotech. Rev. , (2013).
- Shahbazali, E., Hessel, V., Noël, T., Wang, Q. Metallic nanoparticles made in flow and their catalytic applications in organic synthesis. Nanotech. Rev. , (2013).
