Millifluidics de synthèse chimique et résolue en temps des études mécanistes
Summary
Dispositifs millifluidique sont utilisés pour la synthèse contrôlée des nanomatériaux, l'analyse en temps résolu de mécanismes de réaction et la catalyse en flux continu.
Abstract
Procédures utilisant des dispositifs millifluidique pour la synthèse chimique et études mécanistiques résolue en temps sont décrits en prenant trois exemples. Dans le premier, la synthèse de l'ultra-petites nanoparticules de cuivre est décrite. Le deuxième exemple fournit leur utilité pour l'étude en temps résolu cinétique des réactions chimiques en analysant la formation des nanoparticules d'or en utilisant la spectroscopie d'absorption des rayons X in situ. Le dernier exemple démontre la catalyse de flux continu de réactions à l'intérieur canal millifluidique revêtus de catalyseur nanostructuré.
Introduction
Lab-on-a-chip (LOC) des dispositifs pour la synthèse chimique ont démontré un avantage significatif en termes d'augmentation de la masse et le transfert de chaleur, contrôle de réaction supérieure, un débit élevé et plus sûr l'environnement de fonctionnement 1. Ces dispositifs peuvent être classés en copeaux à base fluidique et dispositifs fluidiques de nonchip base. Parmi les fluidique à puce, la microfluidique est bien étudié et un sujet bien couvert dans la littérature 2-5. Systèmes LOC base Nonchip utilisent des réacteurs tubulaires 6. Classiquement, les systèmes microfluidiques sont utilisés pour le contrôle et la manipulation des fluides qui sont géométriquement contraints à l'échelle submillimétrique précis. Nous avons récemment introduit le concept de millifluidics à puce, qui peuvent être utilisés pour la manipulation des fluides dans les canaux à l'échelle millimétrique (soit la largeur ou la profondeur ou les deux canaux sont au moins un millimètre) 7-9. En outre, les puces millifluidique sont relativement faciles à fabriquer WHIle offrant un contrôle similaire sur les débits et la manipulation de réactifs. Ces puces peuvent aussi être utilisés à des débits plus élevés, créant de plus petites durées de séjour, ce qui, en offrant la possibilité de mise à l'échelle de la synthèse contrôlée des nanoparticules avec une distribution étroite de la taille. A titre d'exemple, nous avons récemment démontré la synthèse de l'ultra-petites nanoparticules de cuivre et leur caractérisé par spectroscopie d'absorption des rayons X in situ ainsi que TEM. Aptitude à obtenir des petits temps de séjour à l'intérieur de canaux millifluidique en combinaison avec l'utilisation du MPEG, ce qui est très efficace bidentate pégylé agent stabilisant pour la formation de colloïdes stables de nanoparticules de cuivre 7.
En plus de la synthèse de produits chimiques et des nanomatériaux, les millifluidics pourraient offrir, en raison du volume plus élevé et la concentration à la surface de la sonde, une plate-forme de synthèse qui est plus générale et efficace pour des études cinétiques résolues en temps et également AchieVes meilleur rapport signal bruit de systèmes microfluidiques 7,10. Nous montrons l'utilisation de la puce millifluidique comme un exemple pour les temps résolu analyse de la croissance de nanostructures d'or de la solution à l'aide in situ XAS avec une résolution aussi faible que 5 ms 11 de temps.
En outre, la majorité des micro réacteurs développés à ce jour pour les applications de catalyse sont basées sur 12,13 de silicium. Leur fabrication cher en plus petits volumes générés les rend impropres à la fabrication à grande échelle. Les deux méthodes générales pour revêtir les canaux avec nanocatalyseurs – chimiques et physiques, souvent appelés procédés de revêtement de silicium, sont actuellement en vogue 14,15. En plus de micro fabrication coûteuse, l'obstruction des canaux rend micro réacteur catalyse peut être impropre à la fabrication à grande échelle. Bien que microréacteurs ont été utilisés pour la catalyse hétérogène dans les micro continues accréditives processus EARLIer 16 à 18, la possibilité de contrôler la dimension et la morphologie des catalyseurs nanostructurés d'or incorporés à l'intérieur des canaux d'écoulement continu n'a jamais été explorées avant. Nous avons récemment développé une technologie pour le revêtement des canaux millifluidique avec Au-catalyseurs, après avoir contrôlé nano morphologie et les dimensions (Figure 5) 11, pour la réalisation de la catalyse de réactions chimiques importants industriellement. A titre d'exemple, nous avons démontré la conversion de 4-nitrophénol dans le 4-aminophénol catalysée par l'or nanostructuré revêtu dans les canaux millifluidique. Considérant que d'une seule puce de réacteur millifluidique peut produire des débits de 50-60 ml / h, 7 à haut débit et la synthèse contrôlée de produits chimiques est possible soit par le fonctionnement en flux continu ou traitement parallèle.
Afin de capitaliser sur les possibilités les millifluidics offrent, avec quelques exemples décrits ci-dessus, nous démontrons également une interface convivialedispositif millifluidique qui est portable et a les tous les composants nécessaires tels que les puces millifluidique, collecteurs, régulateurs de débit, les pompes et les connexions électriques intégrés. Un tel dispositif millifluidique, comme le montre la figure 7, est désormais disponible auprès de la société Millifluidica LLC ( www.millifluidica.com ). Le manuscrit fournit également des protocoles utilisant le dispositif millifluidique à main, tel que décrit ci-dessous, pour la synthèse contrôlée des nanomatériaux, l'analyse en temps résolu de mécanismes de réaction et la catalyse en flux continu.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les UCNCs ont été formés par la réaction de réduction du nitrate de cuivre avec du borohydrure de sodium en présence du polymère de coiffage agent de O-[2 – (3-Mercaptopropionylamino)-éthyl]-O'-méthylpolyéthylène glycol (PM = 5000) [MPEG]. La réaction a été effectuée dans le réacteur de puce millifluidique à différents débits tels que 6,8 ml / h, 14,3 ml / h, 32,7 ml / h, et 51,4 ml / h pour étudier l'effet des débits sur les UCNCs formés. Les temps de séjour respectifs pour les débits ci…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail de recherche est soutenu dans le cadre du Centre pour le niveau atomique Catalyst conception, un centre de recherche Frontier énergie financé par le Département américain de l'énergie, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie sous Award Nombre DE-SC0001058 et également soutenu par le Conseil de Regents les subventions du nombre attribution LEQSF (2009-14)-SRTF-MATCH et LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. Opérations MRCAT sont pris en charge par le ministère de l'Énergie et des institutions membres de MRCAT. L'utilisation de l'Advanced Photon Source au ANL est soutenu par le Département américain de l'énergie, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie, sous contrat DE-AC02-06CH11357. Le soutien financier pour JTM a été fourni dans le cadre de l'Institut de Atom efficaces transformations chimiques (IACT), un centre de recherche sur l'énergie Frontier financé par le Département américain de l'énergie, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie.
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 |
Referências
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