Дополнительный катализ и анализ в твердотельных металлических микропроточных реакторах аддитивного производства

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 5121 (2022) Цитировать эту статью

1411 Доступов

2 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Аддитивное производство меняет подход исследователей и промышленников к разработке и производству химических устройств, отвечающих их конкретным потребностям. В этой работе мы сообщаем о первом примере проточного реактора, сформированного с помощью метода ламинирования твердотельного металлического листа, ультразвукового аддитивного производства (UAM), с непосредственно интегрированными каталитическими секциями и чувствительными элементами. Технология UAM не только преодолевает многие текущие ограничения, связанные с аддитивным производством химического реакционного оборудования, но и значительно увеличивает функциональность таких устройств. Ряд биологически важных 1,4-дизамещенных 1,2,3-триазольных соединений был успешно синтезирован и оптимизирован в потоке посредством Cu-опосредованного 1,3-диполярного циклоприсоединения Хьюсгена с использованием химического устройства UAM. Используя уникальные свойства UAM и непрерывную поточную обработку, устройство смогло катализировать протекающие реакции, а также обеспечить обратную связь в реальном времени для мониторинга и оптимизации реакций.

Благодаря своим заметным преимуществам перед своим периодическим аналогом, проточная химия является важной и развивающейся областью как в академических, так и в промышленных условиях благодаря ее способности повышать селективность и эффективность химического синтеза. Это простирается от образования простых органических молекул1 до фармацевтических соединений2,3 и натуральных продуктов4,5,6. Свыше 50% процессов в тонкой химической и фармацевтической отраслях могли бы выиграть от внедрения технологии непрерывного потока7.

В последние годы возникла растущая тенденция, когда группы стремятся заменить традиционную стеклянную посуду или оборудование для проточной химии в пользу настраиваемой химической «реакционной посуды» аддитивного производства (АП)8. Итеративное проектирование, быстрое производство и трехмерные (3D) возможности этих технологий очень полезны для тех, кто хочет адаптировать свое устройство к определенному набору реакций, оборудования или условий. На сегодняшний день эта работа почти исключительно сосредоточена на использовании методов 3D-печати на основе полимеров, таких как стереолитография (SL)9,10,11, моделирование плавленым осаждением (FDM)8,12,13,14 и струйная печать7,15. 16. Таким устройствам не хватает надежности и способности выполнять широкий спектр химических реакций/анализов17,18,19,20, что было основным ограничивающим фактором в более широком внедрении АМ в этой области17,18,19,20.

В результате растущего использования проточной химии и преимуществ, связанных с АМ, актуально изучить более продвинутые технологии, которые позволят пользователю производить проточно-реакционную посуду с повышенными химическими и аналитическими функциональными возможностями. Эти методы должны позволить пользователю выбирать из ряда высоконадежных или функциональных материалов, способных работать в широком диапазоне условий реакции, а также облегчать различные формы аналитического вывода из устройства, чтобы обеспечить мониторинг и контроль реакции.

Одним из процессов AM, который потенциально может использоваться для разработки индивидуального химического реакционного оборудования, является ультразвуковое аддитивное производство (UAM). Эта технология твердотельного ламинирования листов применяет ультразвуковые колебания к тонкой металлической фольге, чтобы соединить их вместе слой за слоем, с минимальным объемным нагревом и высокой степенью пластического течения21,22,23. В отличие от большинства других методов AM, UAM может напрямую интегрироваться с субтрактивным производством, называемым гибридным производственным процессом, в котором периодическое фрезерование с числовым программным управлением (CNC) на месте или лазерная обработка определяет чистую форму скрепленных слоев материала24,25. Это означает, что пользователь не ограничен проблемами, связанными с удалением остатков необработанных строительных материалов из небольших путей прохождения жидкости, как это часто бывает с порошковыми и жидкими системами AM26,27,28. Эта свобода проектирования распространяется и на выбор доступных материалов: UAM может соединять термически схожие и разнородные комбинации материалов за один технологический этап. Выбор комбинации материалов помимо тех, которые используются в процессах плавления, означает, что можно лучше удовлетворить механические и химические потребности конкретного применения. Помимо сварки в твердом состоянии, при ультразвуковой сварке возникает еще одно явление — высокая степень текучести пластического материала при относительно низкой температуре29,30,31,32,33. Эта уникальная особенность UAM может облегчить установку механически/термически чувствительных элементов между слоями металла без повреждений. Встроенные датчики UAM могут облегчить доставку информации в реальном времени от устройства пользователю с помощью встроенной аналитики.