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MXPA06011963A - Sistema catalitico de espectroscopia de funcion combinatorio inteligente. - Google Patents

Sistema catalitico de espectroscopia de funcion combinatorio inteligente.

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MXPA06011963A
MXPA06011963A MXPA06011963A MXPA06011963A MXPA06011963A MX PA06011963 A MXPA06011963 A MX PA06011963A MX PA06011963 A MXPA06011963 A MX PA06011963A MX PA06011963 A MXPA06011963 A MX PA06011963A MX PA06011963 A MXPA06011963 A MX PA06011963A
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MX
Mexico
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reaction
catalytic
reactor
combinatorial
materials
Prior art date
Application number
MXPA06011963A
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English (en)
Inventor
Israel E Wachs
Original Assignee
Catalyst Design Inc
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Publication date
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Abstract

Se describen un dispositivo y metodo combinatorios para clasificar una pluralidad de materiales cataliticos simultaneamente, mientras se determina el volumen dinamico y la naturaleza de superficie de los materiales cataliticos que estan siendo clasificados bajo condiciones de reaccion y cinetica quimica de superficies e informacion mecanica para determinar la relacion de estructura-actividad/selectividad de los materiales cataliticos, y para reunir informacion sobre las estructuras dinamicas de los materiales cataliticos asi como especies de superficies. El procedimiento del descubrimiento de los materiales novedoso de esta forma puede ser acelerado, los costos asociados pueden ser reducidos, y la informacion tambien puede conducir al diseno de materiales mejorados y avanzados.

Description

SISTEMA CATALÍTICO DE ESPECTROESCOPI A DE FUNCIÓN COMBINATORIO INTELIGENTE Esta solicitud reclama prioridad a la Solicitud de Patente Provisional de E.U.A. Serie No. 60/561,880, presentada el 14 de Abril, 2004, los contenidos completos de la cual se incorporan aquí por referencia.
CAMPO DE LA INVENCIÓN Los aspectos de la presente invención se dirigen a la búsqueda de materiales y desarrollo así como espectroscopia.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La búsqueda de materiales abarca un rango inusualmente amplio de diferentes materiales que incluyen materiales orgánicos e inorgánicos, biomateriales, materiales farmacéuticos, materiales alimenticios, nanomateriales, materiales fotónicos, materiales catalíticos y materiales funcionales. Estos materiales encuentran amplia aplicación como sensores para el control de procesamiento, transmisión de datos, materiales catalíticos para ambiente, aplicaciones industriales químicas y de petróleo, materiales estructurales más resistentes y más ligeros, partes artificiales del cuerpo humano, y sistemas de suministro de fármaco novedosos.
La aceleración del descubrimiento de nuevos materiales y nuevas propiedades también tiene muchos beneficios sociales. Por ejemplo, los materiales catalíticos actualmente se emplean a través de la industria de petróleo y química para fabricar varios productos tal como combustibles, polímeros, químicos, y fibras textiles. El descubrimiento de materiales nuevos, más eficientes y novedosos para aplicaciones específicas puede esperarse para tener un efecto positivo significante en la energía consumida en estos procedimientos. Por ejemplo, los materiales catalíticos también se emplean extensivamente a través de la industria de fabricación para minimizar emisiones tóxicas y ambientalmente no deseadas para automóviles, plantas de energía, plantas químicas y refinerías. El desarrollo de materiales catalíticos más eficientes y sensores para aplicaciones ambientales directamente se traducirá a beneficios en salud humana y calidad de vida. Además, el desarrollo de los materiales de sensor para compuestos biológicos específicos resultara en la detección más eficiente de trastornos humanos y el desarrollo de productos farmacéuticos y alimenticios mejorados, que incluyen pero no se limitan a materiales de cocina mejorados tal como aceites comestibles mejorados. Otro resultado positivo potencial de las herramientas de descubrimiento mejoradas son los sensores en la detección de toxinas y explosivos en nuestros ambientes, y la inicion relacionada de nuestra seguridad nacional. Los desarrollos de química combinatorios revolucionaron materiales de prueba y procedimientos de evaluación así como el tiempo requerido para el descubrimiento de nuevos materiales. Más que clasificar cada material secuencialmente, la metodología combinatoria permite la prueba simultanea de muchos nuevos materiales en arreglos de canal paralelos. El acercamiento combinatorio típico empleado para el descubrimiento de materiales catalíticos novedosos se midió a la temperatura de catalizador y determina la eficiencia de catalizador al convertir un reactivo en objetivo a productos deseados (Figura 1). Este acercamiento combinatorio permite la clasificación de número máximo de materiales catalíticos, que es el objetivo primario de los estudios más combinatorios. Solo en algunos cuantos casos que tienen metodologías de caracterización de material se aplicaron para determinar el volumen y naturaleza de superficie de los materiales catalíticos ya sea antes o después de la clasificación de catalizador. Un objetivo primario de la clasificación combinatoria actual para materiales nuevos y novedosos es para mejorar el procedimiento de descubrimiento. Actualmente, esto se logra casi al clasificar cada muestra de la característica deseada y, de esa forma como muchas muestras son posibles ahora se examinan en un periodo dado. Sin embargo, este paradigma rápidamente alcanza su límite asintótico ya que cientos de muestra pueden sintetizarse roboticamente y analizarse en una base diaria. Por ejemplo, los métodos combinatorios en le diseño de catalizar se enfocaron primordialmente en mejorar la eficiencia catalítica. La búsqueda combinatoria adicional en el diseño de catalizador se determinó que el volumen y estructuras de superficie así como loas propiedades de materiales catalíticos substancialmente afectan las velocidades de reacción y también son variables dinámicas que pueden equilibrarse con la exposición a diferentes condiciones ambientales. Las estrategias combinatorias actuales no establecen fácilmente la estructura molecular/electrónica y relaciones de actividad/selección que son esenciales para acelerar más el procedimiento de descubrimiento de materiales debido a la información cerca de las estructuras dinámicas que nos está recolectando. Los acercamientos de química combinatoria actuales en las áreas químicas diferentes, que incluyen pero no se limitan al área de descubrimiento de materiales catalíticos, no ha incorporado el uso de métodos o acercamientos espectroscópicos moleculares y electrónicos in situ y/o en operación físicos y químicos para determinar el volumen dinámico y/o naturaleza de superficie de los materiales catalíticos así como la presencia y/o identificación de cualquier reacción de superficie intermedia durante el procedimiento de clasificación, no establece la estructura molecular/electrónica, relaciones de actividad/selectividad, y no recolectan información de las estructuras dinámicas y los intermediarios de reacción de superficie, todos pueden ser la base de procedimientos de descubrimiento de materiales más eficientes. Otras disciplinas de ciencia e ingeniería desarrollaron materiales para determinar información molecular que incluye métodos espectroscópicos ópticos tal como Raman, IR, y UV-Vis.
Recientemente, ha sido posible obtener fácilmente tales medidas en cuestión de segundos debido a los avances instrumentales significantes. Esto abre la oportunidad de verificar eventos moleculares durante condiciones transistentes tal como presión o campos de temperatura. Además, estos métodos espectroscópicos ópticos también permiten el delineado de superficie de materiales debido a sus capacidades de resolución espaciales. La sensibilidad más espacial de estos métodos es Raman, que tiene capacidades de resolución espaciales menores a aproximadamente una miera. IR tiene capacidades de resolución espaciales aproximadamente a 10 mieras. UV-Vis actualmente tiene capacidades de resolución espaciales aproximadamente a 250 mieras. El desarrollo espectroscópico óptico recientemente incluye el desarrollo de capacidades para obtener simultáneamente múltiples medidas, pero actualmente su éxito se limito el reporte a combinaciones de dos técnicas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS El compendio anterior de la invención, así como la descripción detallada siguiente de modalidades ilustrativas, se entiende mejor cuando se lee en conjunto con los dibujos acompañantes, que se incluyen a manera de ejemplo, y no a manera de limitación con respecto a la invención reclamada. La Figura 1 es un diagrama de bloque de un modelo combinatorio convencional. La Figura 2 es un diagrama de bloque de un modelo combinatorio ilustrativo de acuerdo con al menos un aspecto de la presente invención. La Figura 3 es una vista en perspectiva de un sistema de reactor combinatorio ilustrativo de acuerdo con al menos un aspecto de la presente invención. La Figura 4 es una representación ilustrativa de cambios de Raman de sitios seleccionados que pueden encontrarse en superficies y en el volumen de materiales catalíticos. La Figura 5 es un diagrama de bloque funcional de un sistema de descubrimiento de material combinatorio ilustrativo de acuerdo con al menos un aspecto de la presente invención. La Figura 6 es una vista en perspectiva de un alojamiento de reactor ilustrativo de acuerdo con al menos un aspecto de la presente invención. Las Figuras 7, 8, y 9 son varias vistas alternativas del alojamiento de reactor de la Figura 6. La Figura 10 es una vista en perspectiva de un canal de reactor ilustrativo de acuerdo con al menos un aspecto de la presente invención. La Figura 11 es una vista plana del alojamiento de reactor de la Figura 6 que soporta una pluralidad de canales de reactor. La Figura 12 es una vista plana como en la Figura 11, que además muestra una unidad de calentamiento ilustrativa para calentar la pluralidad de canales de reactor. La Figura 13 es una vista en perspectiva de otra modalidad ilustrativa de un ensamble de reactor de acuerdo con al menos un aspecto de la presente invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En esta disciplina de estructura química, molecular y electrónica y cinética química de superficie asociada e información de mecánica será benéfico para la aceleración de procedimiento de descubriendo de material. La información de nivel molecular que puede ser útil en esta aceleración incluye, pero no se limita a, la naturaleza de los sitios de superficie activa (estructura molecular) de material (por ejemplo, catalíticos); intermediarios de reacción de superficie; complejos de superficie de reactivos, intermediarios, y productos; estructuras de material catalítico o de volumen; estructuras y defectos moleculares y electrónicos. La información electrónica que puede ser útil en está aceleración incluye, pero no se limita a, el estado de oxidación del catión, la coordinación local y de rango largo de catión reflejada por su valor de espacio de banda, cinéticas químicas de superficie y mecanismos y en donde es aplicable el cambio en sitios activos catalíticos debido al enlace o coordinación a un material adicional con un espacio de banda independientemente variante (por ejemplo, nanomateriales). Otra aceleración del procedimiento de descubrimiento de material puede realizarse de edificar todas las etapas, que incluyen pero no se limitan a verificar procedimientos de síntesis de composición de material y condiciones experimentales. Está verificación en conjunto con la metodología combinatoria no proporcionara solamente un gran número de muestras que pueden clasificarse rápidamente, si no también proporciona información más relevante de esas muestras de esa forma dirigiendo al diseño de materiales mejorados con propiedades más benéficas en cantidades más cortas de tiempo. Algunos de los aspectos de la presente invención son benéficos para diversificar campos de búsqueda de material, que incluyen pero no se limitan a búsqueda catalítica, búsqueda biológica, y búsqueda farmacéutica. Dependiendo del campo de búsqueda de material los parámetros operativos de ciertos aspectos de la presente invención necesitaran controlarse dentro de los rangos en los cuales los materiales y/o reacciones que se colocan no se ven adversamente afectadas por las condiciones operativas. Estos parámetros, que incluyen pero no se limitan a temperatura y presión son bien conocidos por aquellos expertos en la técnica y los métodos de su control o modificación son elecciones de diseño para esos expertos en la técnica que pueden agregarse a ciertos aspectos de la presente invención. Algunos aspectos de la presente invención se dirigen a un dispositivo único y método combinatorio para clasificación de reacción catalítica en objetivo de una pluralidad de materiales catalíticos simultáneamente mientras se determina el volumen dinámico y naturaleza de superficie de los materiales catalíticos que se clasifican, determinar la relación de estructura-actividad/selección molecular/electrónica de los materiales catalíticos o, reunir información de las estructuras dinámicas de los materiales catalíticos. Uno de los aspectos de la presente invención por lo tanto es un dispositivo y metodología relacionada que acelera el procedimiento de descubrimiento de materiales novedosos y reduce los costos asociados. Esto y otros aspectos de la presente invención utilizan análisis de relaciones de estructura-actividad molecular dinámica junto con metodologías combinatorias para guiar la exploración acelerada de nuevos y únicos catalizadores. Algunos aspectos de la presente invención se dirigen a un dispositivo único que además de los espectroscopios ópticos descritos aquí también incluyen capacidades de microscopio óptico. Estos aspectos de la presente invención presentan un dispositivo único que incorpora al menos tres espectroscopios ópticos y una de las técnicas de caracterización de materia de microscopio ótico en una combinación con una técnica de caracterización de espectroscopio transistente térmico o de presión que mide respuesta de sistema a cambios de temperatura, presión o presión parcial que utiliza pulsos sistemáticos o moléculas isotópicamente marcados (por ejemplo, Espectroscopia de reacción de superficie programada de temperatura (TPSR)) en un dispositivo integrado individual. Estos y otros aspectos de la presente invención utilizan las técnicas de caracterización espectroscópicas ópticas y microscópicas para determinar parámetros físicos del material a través del uso de sondas estructurales físicas y el uso de técnica de caracterización de espectroscopia térmica/de presión para determinar parámetros químicos a través de uso de sondas químicas que proporcionan cinética química de superficie e información mecánica. Algunos aspectos adicionales de la presente invención utilizan versiones transistentes de técnicas de caracterización de espectroscopia térmicas y de presión (por ejemplo, TPSR) para proporcionar información más detallada de los procedimientos cinéticos y mecánicos químicos de superficie, especialmente cuando se evalúa las reacciones catalíticas de estado pasivo. Aspectos adicionales de la presente invención además mejoran la información obtenida por métodos que incluyen, pero no se limitan a, TPSR, con el uso de etiquetas isotropicas que incluyen pero no se limitan a etiquetas tal como 2D, 15O, 15N, y 14C. Las etiquitas isotrópicas actualmente se utilizan por aquellos expertos en la técnica de estudios catalíticos para marcar ciertos elementos con el fin de determinar la ubicación en moléculas de producto, junto con sus daños a cinética durante la reacción. Otro aspecto de la presente invención proporciona un dispositivo y métodos combinatorios relacionados que permiten que se clasifique un gran número de a materiales catalíticos simultáneamente mientras se utilizan métodos espectroscópicos/microscópicos ópticos en combinación con espectroscopia química, tal como TPSR, para proporcionar información en el volumen dinámico y naturaleza de superficie de los materiales catalíticos así como, pero no limitándose a información en especies de superficie que se clasifican bajo condiciones in situ u operación. Otro aspecto de la presente invención es para proporcionar un dispositivo y métodos combinatorios relacionados que permiten que se clasifique un gran número de materiales catalíticos simultáneamente mientras se utiliza espectroscopia Raman; IR, y UV-Vis junto con metodologías microscópicas ópticas en combinación con espectroscopia química, tal como TPSR, para ayudar a determinar el volumen dinámico y naturaleza de superficie de los materiales catalíticos que se clasifican así como, pero no limitándose a información en las especies de superficie, determinar la relación de estructura-actividad/selección molecular/electrónica de los materiales catalíticos, o recolectar información de las estructuras dinámicas de los materiales catalíticos y especies de superficie bajo condiciones in situ o de operación. En contraste, los acercamientos de clasificación combinatorios actuales no se dirigen al desarrollo simultaneo, o casi simultaneo, de información molecular y electrónica detallada de materiales catalíticos bajo condiciones de reacción. Al menos una razón para esto es la implementación de tal protocolo complejo que dificultan el número de materiales catalíticos para clasificarse con dispositivos convencionales y utilizar métodos combinatorios tradicionales, para señalar en donde la fuerza de conducción principal en estudios combinatorios, número máximo de muestras clasificadas por tiempo de unidad, se disminuyen bajo niveles aceptables. Las metodologías de caracterización combinatorias por lo tanto se desarrollaros primordialmente para examinar catalizadores solo antes y después de reacciones catalíticas. Sin embargo, los materiales activos catalíticos y sus especies de superficie asociadas bajo condiciones de reacción generalmente son diferentes a los materiales catalíticos y especies de superficie asociadas presentes antes o después de reacciones catalíticas, que de esa forma llevan a información que tiene valor limitado en desarrollo de materiales. Algunos aspectos de la presente invención utilizan espectroscopia de operación para evaluar, analizar o medir las propiedades del material catalítico y sus especies de superficie asociadas durante la reacción de esa forma proporcionan una cantidad mayor de información detallada que además acelera la búsqueda de material. Adicionalmente, los métodos combinatorios actuales fallaron al integrar espectroscopia química (por ejemplo, TPSR) debido al enfoque el número máximo de muestras procesadas e interés actual que se limita al desempeño de estado pasivo. Los métodos de espectroscopia química, que incluyen, pero no se limitan a TPSR, además aumentan la información química disponible de estudios de estado pasivo al proporcionar información útil en el desarrollo de relación TPSR generalmente se utiliza para determinar la respuesta de temperatura de reacciones con el fin de proporcionar información útil para deducir mecanismos y cinéticas de reacción catalíticas. Los dispositivos de espectroscopia TPSR generalmente consisten de una molécula de sonda química con un aumento de temperatura definido como una función de perfil de tiempo en el cual los productos de reacción se detectan como una función de temperatura por espectrometría de masas. La espectroscopia TPSR puede utilizarse para proporcionar información útil en la deducción de mecanismos de reacción, mecanismos de enlaces entre adsorbatos y la superficie adsorbente y naturaleza de grupo funcional. La espectroscopia de TPSR puede utilizarse para medir propiedades bajo condiciones de reacción y generalmente se aplica en dos formas cuando se estudia cinética de sitio de superficie catalítico activo que incluyen, pero no se limitan a velocidad que determina determinaciones de paso, orden de reacción y energía de activación. Una forma de espectroscopia TPSR es coadsorber gases en una superficie de catalizador después de la cual se hace el calentamiento con un gas portador inerte (por ejemplo, He). Otra forma utiliza un catalizador con especies de superficie preabsorbidas que se calientan subsecuentemente en un gas portador reactivo (por ejemplo, CO). Está forma de TPSR también puede proporcionar información útil para determinación cuantitativa de cubierta de adsorbato. Algunos aspectos de la presente invención combinan espectroscopia TPSR con la espectroscopia óptica y microscopio descrito anteriormente para determina volumen dinámico y naturaleza de superficie de los materiales catalíticos que se clasifican así como, pero no limitándose a información de las especies de superficie, que determinan la relación de estructura-actividad/seiección de los materiales catalíticos, o recolecta información de las estructuras dinámicas materiales catalíticos y especies de superficie bajo condiciones de reacción in situ o de operación. Similarmente, otras técnicas espectroscópicas químicas pueden utilizarse para crear presión o transiciones de presión parciales y medir una reacción de sistema de esa forma una forma similar como TPSR. Otro aspecto de ia presente invención proporciona una ó más bibliotecas de desarrollo de catalizador combinatorio (de los espectroscopios químicos y ópticos descritos anteriormente) que pueden desarrollarse al utilizar dispositivos y metodologías de acuerdo con otros aspectos de la invención. Una biblioteca con capacidad de búsqueda del procedimiento de información a base de molécula puede disminuir el número de muestras futuras para clasificarse y mejorar la eficiencia económica junto con líneas de tiempo de aceleración para procedimientos de descubrimiento futuro. Generalmente, la biblioteca almacenará la información de base molecular que proporciona una base fundamental para entender la reacción de objetivo. Además, la información estructural molecular fundamental puede permitir el uso de las relaciones estructural-físico y químicas molecular/electrónicas en otras aplicaciones en objetivo. Con el tiempo, se espera que el uso de tales bibliotecas de estructura-propiedad molecular/electrónica para otras aplicaciones con objetivo además pueda disminuir el número de muestras que necesitará clasificarse y además acelerar el descubrimiento de materiales novedosos. Estos y otros aspectos de la invención serán evidentes con la consideración de la siguiente descripción detallada de modalidades ilustrativas.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE MODALIDADES ILUSTRATIVAS Se nota que se mencionan varias conexiones entre elementos en la siguiente descripción. Se nota que estas conexiones en general y, a menos que se especifique de otra forma, pueden se directo o indirecto y que esta especificación no pretende limitarse en este aspecto. Además se nota que como se utiliza aquí, el término in situ se refiere a la caracterización de un material catalítico bajo cualquier ambiente controlado (por ejemplo, temperatura, vació, presión, oxidación, reducción o reacción) y el termino operación se refiere a la caracterización simultanea y medidas de actividad/selección de un material catalítico bajo condiciones de reacción relevantes (por ejemplo, industrial). Un aspecto de la presente invención es recolectar y analizar información en un volumen dinámico de material y características de superficie, y especies de superficie, junto con sus propiedades de desempeño catalíticas bajo condiciones de reacción. Aspectos ilustrativos de la presente invención como se aplican a reacciones catalíticas se describen en detalle. Como se conoce por aquellos expertos en la técnica el sistema catalítico generalmente incluyen sistemas de fase gas-sólido, líquido-sólido, o gas-líquido-sólido y también incluyen catalizadores complejos tal como un catalizador homogéneo soluble, encima o proteínas. Los aspectos ilustrativos de la presente invención con sistemas gas-sólido no limitan aspectos de la invención actual a otros sistemas catalíticos. Acercamientos combinatorios previos (como se muestra en la Figura 1) enfocados en el número de materiales para clasificar fácilmente en el espacio experimental. Otro aspecto de la presente invención es mantener una metodología combinatoria para clasificar fácilmente materiales pero también combinar esa metodología con aspectos únicos de espectroscopia óptica para obtener información molecular detallada y de estructura electrónica o propiedad bajo condiciones de reacción. En otros aspectos de la invención, la recolección y almacenamiento de esta información en bases de datos con capacidad de búsqueda puede conducir a la ingeniería molecular de materiales catalíticos avanzados en estudios combinatorios, así como en búsqueda de catálisis convencional que incluye el uso de aspectos de la invención actual para diseñar sitios de superficie activos catalíticos para reactivos específicos y disminuyen significativamente el número de muestras que necesitara clasificarse para desarrollos catalíticos futuros. Incluso otro aspecto de esta invención se refiere a herramientas espectroscópicas moleculares/electrónicas físicas y químicas novedosas para mejorar el descubrimiento de materiales catalíticos durante clasificación química combinatoria. Con el fin de dirigir las numerosas desventajas de clasificaciones químicas combinatorias actuales, un novedoso sistema combinatorio de acuerdo con varios aspectos de la presente invención simultáneamente proporciona medidas espectroscópicas físicas in situ y/o en operación de materiales catalíticos bajo condiciones de reacción relevantes (por ejemplo, industriales). Los métodos de caracterización espectroscópicos ópticos específicos proporcionan: 1) información estructural molecular bajo alta temperatura (T) y alta presión (P), 2) información estructural electrónica bajo alta T y alta P, 3) análisis en tiempo real para resolución temporal, y/o 4) resolución espacial para delineado de superficie. Los métodos de caracterización espectroscópicos ópticos pueden incluir, pero no se limitan a Raman, IR, y UV-Vis. Y sus equivalentes de transformación de Fourier (FT) respectivos. Esto también se puede utilizar en combinación con otra espectroscopia óptica, espectroscopia química (por ejemplo, TPSR), o ambos. La información molecular proporcionada por aspectos de la invención actual generalmente incluye la naturaleza de la estructura molecular del catalizador. Por ejemplo, la información estructural molecular y electrónica proporcionada por aspectos de la invención puede incluir la naturaleza de los sitios de superficie activos catalíticos, la naturaleza de las especies de superficie (por ejemplo, intermediarios de reacción), y los materiales catalíticos de volumen (por ejemplo, estructura). La información electrónica proporcionada por uno ó más aspectos de la invención generalmente se refiere al número y distribución de electrones para varios átomos en la superficie de catalizador. La información electrónica puede incluir, pero no se limita a, uno ó más de los siguientes: (1) el estado de oxidación del catión; (2) la coordinación local de catión (por ejemplo, el número de enlaces de M-O, M-O-M y M-M); (3) el tamaño de dominio de rango largo del catión (por ejemplo, monómero, polímero, coordinación de grupo); (4) la estructura electrónica del substrato al cual se enlaza el catión o complejo. El acercamiento de operación de un aspecto de la invención ilustrativamente mostrado en la Figura 2 puede rápida y exactamente proporcionar la información más fundamental sobre un material catalítico particular para una reacción en objetivo, que incluye opero no se limita a las cinéticas de superficie de la reacción bajo investigación, la naturaleza de los intermediarios de superficie, la selección en diferentes condiciones de reacción e información en el volumen y/o superficie molecular y estructuras electrónicas del catalizador que dan aumento a la actividad observada y la selección. Está información, en combinación con investigaciones transistentes de ia reacción en objetivo, proporcionan una base para desarrollar información cinética de superficie adicional así como penetraciones mecánicas tal como golpes de calor de adsorción y constantes de velocidad de equilibrio de adsorción. Las investigaciones transistentes pueden utilizar técnicas espectroscopia químicas (por ejemplo, espectroscopia TPSR). Los métodos de caracterización espectroscópicos ópticos y químicos individuales discutidos aquí generalmente están disponibles para aquellos expertos en la técnica que utilizan modalidades come/cíales de esos métodos que son, por si mismos, públicamente disponibles para compras. Los sistemas de espectrofotómetro ópticos dobles también están públicamente disponibles y generalmente están basados en FT-IR o plataformas derraman de dispersión que se modifican por fabricantes para proporcionar el otro sistema espectroscópico. Mientras la plataforma básica puede utilizarse para realizar ciertos aspectos de la invención, algunos aspectos de la invención sirven mejor al utilizar la plataforma de Rama de dispersión debido a emisiones asociadas con restricciones de temperatura y pérdida de datos de fases amorfas y de superficie en el procedimiento FT. La selección de fabricantes de plataforma espectroscópica específica es simplemente una elección de diseño basada en familiaridad de operación para aquellos expertos en la técnica. Por ejemplo, en algunos aspectos de la invención los instrumentos espectroscópicos de Raman IR utilizan un instrumento espectroscópico de Raman e ir combinado con un microscopio con focal para resolución espacial. Un ejemplo de otro instrumento está actualmente públicamente disponible en Internet en www.iobinvvon.com, que tiene un microscopio con focal que proporciona un focal de tres técnicas espectroscópicas ópticas y microscópicas. Como se conoce por aquellos expertos en la técnica, las medidas de Raman e ir simultanea pueden lograrse a alterar los aparatos de Raman e ir cada segundo por una cerradura pequeña.
Otros métodos de alternar los aparatos de Raman e ir se conocen en otros dispositivos públicamente disponibles. Otro aspecto de la presente invención es para proporcionar un dispositivo individual con las capacidades de dirigir todos los requerimientos espectroscópicos ópticos así como capacidades cinéticas y mecánicas químicas de superficie a través del uso de la combinación de varios métodos de espectroscopia óptica, espectroscopia microscópica y química óptica (por ejemplo, TPSR); o al menos una combinación más grande de requerimientos espectroscópicos que la que se proporciona en la técnica anterior. En algunos aspectos de la invención, se realiza generalmente por la modificación de un sistema Raman/IR combinado también para tener la capacidad de medir la señal UV-Vis en un sistema de clasificación combinatorio. En algunos aspectos de la invención, está modificación puede realizarse al modificar el microscopio con focal del dispositivo Raman/IR para permitir la introducción de sensores ópticos de fibra UV-Vis. Los sensores ópticos de fobia UV-Vis son conocidos por aquellos expertos en la técnica y dispositivos ilustrativos están públicamente disponibles en Internet en www.avantes.com. Generalmente, el dispositivo Raman/IR se modifica para que un sistema óptico de fibra UV-Vis sea simultáneamente funcional con los dispositivos Raman/IR existentes incluso que no interfieren con las medidas de Raman/IR correspondientes. Una revisión de tal sistema de reactor combinatorio 300 se describe ilustrativamente con referencia a la Figura 3. La fibra óptica UV-Vis generalmente se integra con el microscopio con focal Raman/IR. Por ejemplo, la fibra óptica puede insertarse en el puerto de iluminación de reflexión de luz blanca del microscopio con focal. Como se conoce, la sonda de fibra óptica UV-Vis generalmente se proporciona con su propia fuente de luz, recolector de señal y analizador de espectro, y su integración diferente con el software Raman/IR también puede lograrse fácil y rápidamente si se desea. Por ejemplo, tales ondas existen que incluyen una fibra óptica central alrededor de la cual se disponen hexagonalmente una pluralidad de fibras ópticas más pequeñas. Las fibras ópticas más pequeñas proporcionan la luz UV-Vis de estimulación mientras la fibra óptica más grande recolecta la luz UV-Vis dispersada y/o reflectada del objetivo para análisis posterior. Alternativamente, la sonda puede montarse fuera del microscopio que tiene el mismo foco. Sin importar la disposición física de la sonda UV-Vis, la recolección de información que utiliza la sonda UV-Vis generalmente debe realizarse mientras el láser Raman está en la posición de apagado (o mientras la luz de láser Raman se atenúa o bloquea) para evitar interferencia óptica. La interferencia óptica similar puede ocurrir y similarmente debe evitarse de láser Raman cuando intenta medidas IR. Preferiblemente, esto puede realizarse por, por ejemplo, un sistema de dispersión de apertura múltiple. Tales sistemas de apertura se conocen, pero actualmente están disponibles para utilizarse con medidas Raman y IR que se hacen por el mismo sistema. Por consiguiente, el sistema de dispersión de apertura múltiple utilizado aquí puede modificarse o construirse originalmente para controlar al menos tres aparatos separados para abrir y cerrar en una forma sincronizada. Por ejemplo, cada una de las tres aperturas puede configurarse para abrirse secuencialmente (mientras cada una de las otras aperturas se cierra) en un periodo corto de tiempo. El período de tiempo puede ser cualquier deseado, tal como pero no limitándose a algunos segundos. Por ejemplo, en una estructura de tiempo corta, el sistema puede circular, uno a la vez, entre Raman, IR, y después medidas de UV-Vis durante los estudios catalíticos en estado pasivo. Los estudios de espectroscopia TPSR transistentes generalmente se realizan después de adsorción de los reactivos en el catalizador a temperaturas medias (por ejemplo, aproximadamente 100 grados Celsius o menos), seguido por el flujo con un gas inerte (por ejemplo, N2, He, Ar, etc.) de cualquiera de las moléculas de fase de gas residual. El flujo generalmente se sigue por el incremento de la temperatura del reactor a una velocidad constante (por ejemplo, por 1-10 grados Celsius/minutos) y en flujo uno ó más gases que incluyen pero no se limitan a reactivos, productos, He, o mezcla de He/O2. La velocidad de flujo de gas afecta la eficiencia de materiales de flujo tal como productos de reacción resorbidos y productos no hechos reaccionar para análisis espectroscópico posterior, preferiblemente por espectroscopia de masa. Como se observa en el diagrama ilustrativo de la Figura 3, el sistema de reactor combinatorio 300 puede permitir la clasificación espectroscópica simultánea de múltiples materiales catalíticos para una reacción especifica. El sistema de reacción combinatorio 300 además puede permitir la composición de gas de alimentación y velocidad de flujo a cada pluralidad de canales de reactor 301 para variarse independientemente. Una ó más fuentes de estimulación, junto con varias ópticas de soporte, pueden proporcionar radiación incidente en las muestras en los canales de reactor 301. Por ejemplo, el sistema de reactor combinatorio 300 puede incluir una fuente de láser visible 307, una fuente de láser UV 308, una fuente IR 309, y/o una fuente de estimulación UV-Vis para fibras ópticas 310, en donde la radiación de estimulación de cada uno pueden dirigirse en los canales de reactor 301. La óptica para dirigir o de otra forma guiar la radiación de estimulación puede incluir varios espejos, filtros, y/o guías ópticas, tal como uno ó más lentes 311, uno ó más espejos tal como espejo 312, y/o una ó más fibras ópticas UV-Vis 310. El sistema de reactor combinatorio 300 además puede incluir instrumentación analítica en línea de tiempo real para análisis espectral, que puede representarse como una computadora 305. La computadora 305 puede realizar tales análisis como datos de espectrometría de masa, datos IR, datos Raman, o datos de cromatografía de gas (GC), para verificar simultáneamente los gases que salen para determinar el estado pasivo y/o actividad catalítica transistente y selectividad para cada uno de los canales de reactor 301. Los derivados para verificar los gases de salida pueden percibirse por un dispositivo de detección 314 que pueden ser parte de o estar físicamente separados del sistema 300. Además los gases de salida también pueden cambiarse entre un dispositivo de ventilación y detección 314 que utiliza una válvula de selección de corriente 313. La computadora 305 además puede proporcionarse con salida de uno ó más detectores ópticos, tal como un detector de dispositivo acoplado de carga (SD) 306 o detectores que son parte de los dispositivos 307, 608, y 309. Los canales de reactor 301 pueden disponerse parcial o completamente dentro de un alojamiento de reactor 302. El alojamiento de reactor 302 se acopla físicamente a (por ejemplo, montado en) una integración y plataforma de control 302. El alojamiento de reactor 302 puede disponerse horizontal y verticalmente, o en cualquier otro ángulo, y su colocación física puede controlarse dinámicamente a través de control motorizado o plataforma 304. La plataforma 304 puede mover el alojamiento del reactor 302 en cualquiera de X, Y, y/o direcciones Z para colocar el alojamiento de reactor 302 en relación apropiada a las varias ópticas que transportan la radiación de estimulación. Alternativa o adicionalmente, las ópticas se pueden ajustar dinámicamente para proporcionar relación apropiada a la colocación física del alojamiento del reactor 302 y para proporcionar medición axial a lo largo de tubos de reacción como se describe además más adelante. Una unidad de calentamiento 303 u otra unidad de calentamiento pueden disponerse próximas al alojamiento de reactor 302 para calentar las substancias dentro de los canales de reactor 301.
En operación, el dispositivo de detección 314 y/o uno ó más detectores ópticos 306, 307, 308, y 309 pueden tomar medidas de las reacciones catalíticas que ocurren en cada uno de los canales de reactor 301 (y/o en cámaras de reactor que son parte de canales de reactor 301, como se discutirá más adelante). En particular, el dispositivo de detección 314 puede tomar medidas físicas de los gases que salen a través de los canales de reactor 301, y detectores ópticos 306, 307, 308 y 309 pueden tomar medidas ópticas de las superficies reales de los catalizadores involucrados en las reacciones catalíticas y dispuestos en las cámaras de reactor. Los parámetros ópticos también se miden a lo largo de las direcciones axial y radial del tubo de reactor mientras cualquier cambio en la composición de fase de gas puede afectar las estructuras moleculares y electrónicas y sitios de superficie. La estimulación del láser UV 308 puede también generar simultáneamente vibraciones Raman de moléculas de fase de gas, tal como O2 doblemente enlazado, N2 triplemente enlazado, etc. La varias medidas por estos varios detectores óticos y no ópticos pueden ocurrir en rápida sucesión en relación uno con otro para evitar el habla cruzada óptica de sus señales, y cualquier caso que puede ocurrir durante las mismas reacciones catalíticas. Estas mediadas pueden ocurrir como una muestra de medida individual, o como una serie de muestras de medida con el tiempo, durante la progresión de las reacciones catalíticas incluso aunque las reacciones catalíticas estén progresando en una forma continua y no extingan antes o durante las medidas. Con el fin de establecer más completamente las relaciones de estructura-actividad/selección molecular y electrónica para los materiales catalíticos, también puede ser preferible obtener información de caracterización química complementaria sobre los sitios de superficie activos de materiales catalíticos. Generalmente, esta información puede obtenerse al utilizar moléculas de sonda químicas que incluyen, pero no se limitan a, metanol. Mientras algunos aspectos de la presente invención utilizan metanol, algunos aspectos de la invención para diferentes investigaciones de catalizador en diferentes características operativas pueden utilizar diferentes moléculas de sonda químicas. Las bibliotecas estructurales moleculares y electrónicas (por ejemplo, estados de oxidación) para los métodos de caracterización físicos también pueden acelerar las asignaciones de Raman, IR de materiales así como las bibliotecas de espectroscopia química (por ejemplo, TPSR) pueden poseer información química complementaria para ayudar en la identificación de las estructuras moleculares y electrónicas de los sitios de superficie activos catalíticos y sus estados de oxidación de catión. En un aspecto de la invención, CH3OH se utilizaron para proporcionar información importante sobre la naturaleza de los sitios de superficie catalíticos que incluyen, pero no se limitan al número de sitios de superficie activos, los tipos de sitio de superficie (valores a.k.a, TOF) para cada tipo de sitio de superficie. El número de sitios de superficie activos puede determinarse por cualquier número de métodos conocido por aquellos expertos en la técnica. En una modalidad ilustrativa, la adsorción química de metanol a temperaturas en donde el metanol adsorbido físicamente no está presente en la superficie, y solo el metanol adsorbido químico disosiativamente está presente en especies metoxi de superficie (típicamente 100°C), puede utilizarse. Al utilizar el método de este aspecto de la invención, ios productos de reacción de metanol reflejan diferentes tipos de sitios de superficie: HCHO de sitios de redox de superficie, CH3OCH3 de sitios ácidos de superficie, y CO/CO2 de sitios básicos de superficie. Los valores TOF para las diferentes trayectorias de reacción se obtienen al dividir cada una de las velocidades de reacción para formación de producto por el número de sitios de superficie activos, de esa forma, los estudios de sonda químicos CH3OH proporcionan información química rica sobre la naturaleza de sitios de superficie activos catalíticos en una superficie de catalizador. Se conoce por aquellos expertos en la técnica que la espectroscopia de Reacción de Superficie Programada por Temperatura (TPSR) CH3OH pueden proporcionar información química sobre la identidad de los sitios de superficie activos sus estados de oxidación en superficies catalíticas y participación de oxigeno de rejilla de volumen en reacciones catalíticas. Es por estas razones que en algunos aspectos de la presente invención un sistema combinatorio TPSR puede ser deseable también para proporcionar penetraciones sobre los estados de oxidación de cationes de catalizador de superficie. Como se ilustra más adelante, varios aspectos de la invención pueden utilizar espectroscopia TPSR para determinar preliminarmente los estados de oxidación de cationes de vanadia. Otros estudios preliminares para varios óxidos soportados por volumen y niobia, en donde el componente activo se deposita en un substrato de niobia, que demostró exitosamente que el producto especifico CH3OH-TPSR y temperatura pico, Tp reflejan el catión de superficie especifico presente en la superficie de material catalítica y los datos preliminares se muestran más adelante: Los datos anteriores revelan que la temperatura Tp y la formación de productos reflejan la naturaleza de los sitios de superficie activos (el elemento específico) y estados de oxidación.
Los sitios reducidos se formaron por reacción estoiquiométrica de las superficies con metanol. Los sitios V y Mo de superficie se comportan como sitios de redox de superficie, a los sitios de superficie Nb se comportan como sitios ácidos de superficie y los sitios de superficie Ts comportan como sitios básicos de redox de superficie. La reacción relativa de estos cationes de superficie son V>Mo>>Nb>Te. Además, los sitios de superficie Se Te promueven dramáticamente por su coordinación para el soporte de niobia (Tp disminuye por ~170°C). La forma interesante, la ausencia de producción de éter de dimetilo de sitios ácidos de superficie para los óxidos de metal depositados en el soporte Nb2O5 revelan que no se expusieron o un número pequeño de cationes de superficie Nb está presente en los materiales sintetizados. La aplicación del acercamiento novedoso que abarca aspectos de la presente invención al sistema de metal oxido de volumen mezclado Mo-V-Nb-Te-O, mostró que el material catalítico óptimo de detener tanto redox de superficie (V+5, Mo + 6) como sitios ácidos para oxidación de propano al ácido acríiico. Experimentos de CH3OH-TPSR en la ausencia de fase de gas O2 también reveló que el oxígeno directamente involucrado en reacciones de oxidación de este catalizador se origina de la rejilla de volumen del oxido de metal mezclado, probablemente por un mecanismo Mars-van Krevelen. Estudios comparativos con volumen V2O5 y M0O3 también mostró que el oxígeno de rejilla de volumen es mucho más móvil en V2O5 que en M0O3 debido a que la superficie V+5 siempre estuvo presente debido a la reoxidación por el oxigeno de rejilla de volumen y la superficie Mo no se reoxidó por el oxígeno de rejilla. Las bibliotecas de CH3OH-TPSR para la reacción de superficie y estado de oxidación poseen un riesgo técnico inherente. Aunque estudios preeliminares demostraron que los cationes de superficie Mo, V, Te y Nb y sus estados de oxidación pueden discriminarse por CH3OH-TPSR, aún no está claro si existe un traslape significante en Tp y productos de reacción similares entre un grupo más grande de cationes. Tal escenario comprendería la capacidad de CH3OH-TPSR para identificar estados elementales y de oxidación de superficie. Para minimizar tales complicaciones, las condiciones experimentales de CH3OH-TPSR pueden necesitar modificarse y tal vez otras tendrán que examinarse para su potencial para discriminar químicamente entre los varios cationes y sus estados de oxidación. El éxito de superar este inconveniente técnico es muy probablemente bueno debido al amplio rango de temperatura de las reacciones y los productos de reacciones específicos formados de los diferentes cationes de superficie. El desarrollo exitoso del sistema de caracterización de superficie CH3OH-TPSR proporcionara un método barato y técnica de no vacío para determinar la composición de superficie elemental y estados de oxidación de catión de superficie de materiales. Esta información puede ser importante para esos materiales en donde las propiedades interfaciales controlan su desempeño. Aspectos de ia presente invención de esa forma pueden acelerarse más ampliamente combinatorias, búsqueda de materiales y estudios de evaluación de materiales que se enfocan en propiedades interfaciales. El espectro de TPSR también puede poseer información cinética cuantitativa sobre la velocidad que determine el paso de una reacción catalítica, que se contiene en el valor Tp. La combinación de esta velocidad cinética de superficie constante con estudios catalíticos de estado pasivo correspondientes permiten la determinación directa de la constante de equilibrio de adsorción y el calor de superficie termo dinámico de adsorción. Además, el orden de apariencia de productos de reacción e intermediarios durante tal experimento transistente directamente revela los pasos de superficie elementales mecánicos que toman lugar durante las reacciones de superficie. La información cinética de superficie, termo dinámica y de mecanismo de reacción puede utilizarse para desarrollar modelos de base molecular de los eventos catalíticos pero una reacción en objetivo. Los experimentos catalíticos TPSR pueden realizarse con cualquier molécula (s) en objetivo para determina mejor los eventos moleculares y requerimientos de superficie mientras el reactivo (s) puede adsorberse e la superficie del material catalítico a temperaturas modestas. Pueden existir situaciones en donde uno de los reactivos puede no ser fácilmente adsorbido en la superficie de catalizador. Por ejemplo, en donde el propano adsorbente débilmente se utiliza durante amoxidación de propano. En este ejemplo, el segundo reactivo (NH3) puede adsorberse en la superficie de catalizador y el propano mantenerse en la fase de gas durante el experimento TPSR. El marcado isotópico de funcionalidades específicas además puede utilizarse para mejorar los detalles mecánicos obtenidos de varios aspectos de la presente invención. La reacción de sonda de metanol puede emplearse para el estado pasivo o el modo pulsado para verificar periódicamente el estado, que incluye el estado de la vida de catalizador o el estado del catalizador después de un procedimiento de regeneración, de la superficie de material catalítico como un tiempo de reacción de función para una reacción específica. Esto puede permitir la rápida verificación en línea de los cambios de la superficie de los materiales catalíticos debido a sinterizar, envenenar, o guisar, composición de superficie o estados de oxidación de catión de superficie. Los pulsos de metanol pequeños también pueden introducirse durante muchas reacciones catalíticas para determinar el estado de la superficie de los materiales catalíticos durante ambientes de reacción diferentes. Una metodología no combinatoria ilustrativa ahora se describe mostrando como el dispositivo inovativo y la metodología puede utilizarse para descubrir una nueva clase de materiales catalíticos. Específicamente en este ejemplo, los nuevos materiales nano-catalíticos se identifican. Como se conoce bien en la técnica, los catalizadores WO3/ZrO2 soportados poseen acidez de superficie significante, y existe mucho interés al desarrollar estos materiales catalíticos como ácidos sólidos para reacciones de isomerización de fracciones de petróleo para aumentar sus valores de octano (por ejemplo, n-pentano a isopentano). Sin embargo, las ideas de superficie de los sitios de superficie WOx en catalizadores WO3/ZrO2 no soportados convencionales no están activos auque para conducir está reacción bajo condiciones industriales, y de posición de carbono además agrava la actividad catalítica debido a la desactivación de catalizador significante. Con referencia a la Figura 4, el análisis Raman del catalizador convencional revela que las especies WOx de superficie están presentes como especies de superficie aisladas y polimerizadas en el soporte ZrO2. Cuando un catalizador WO3/ ZrO2 no soportado se sintetiza en partículas de ZrO2 de 5nm al emplear metatunstato acuoso y un agente tenso activo de copolímero de tres bloques no iónico (llamado P123) agente de templanza, el espectro Raman revela una estructura molecular WOx de superficie muy diferente. Las especies WOx de superficie en el soporte de nano ZrO2 primordialmente poseen una estructura WOx de superficie nueva polimerizada que no posee muchos enlaces W=O terminales (el resto pequeños enlaces W = O terminales a -1000 cm"1 se cree que se originan de especies WOx de superficies aisladas residuales). Las mediciones in situ u de Raman y UV-Vis en ambientes alcanos revelan que, diferente al catalizador WO3/ZrO2 soportado convencional que se reduce de forma media y cubre con depósitos de carbono, las especies WOx de superficies en el soporte de nano-ZrO2 son casi completamente reducidos a un óxido inferior (principalmente W+5), y están libres de carbono. Las diferentes respuestas de los materiales catalíticos WO3/ ZrO2 convencionales y soportados revelan que las diferentes estructuras de superficie WOx poseen propiedades químicas diferentes. En este ejemplo, la reacción de superficie de estas especies WOx de superficie de interés o nano-ZrO2 además se sondean químicamente con CH3OH-TPSR para determinar su comportamiento en reacciones acidas. La temperatura Tp para formación de éter dimetilo, el producto ácido (100% selección), se encuentra para disminuir dramáticamente por -50 °C que indica aproximadamente un aumento de 30 dobleces en la velocidad constante para esta reacción acida comparada con los catalizadores WO3/ZrO2 o soportados convencionales. En vista de los hallazgos de una nueva estructura molecular de superficie WOx, su reacción de superficie mejorada y escasez de depósito de carbono, este nuevo material se examina para isomeración de m-pentano a iso-pentano. Los estudios catalíticos de n-pentano de estado pasivo revelan que los catalizadores WO3/ZrO2 nano-soportados novedosos son mayores que 50 veces más activos por gramo del catalizador (>10 tiempos más activos por m2) y 100% selección para isomerización n-pentano que los catalizadores convencionales. Este ejemplo también ilustra que el desarrollo de información substancialmente idéntica puede realizarse a una velocidad acelerada que utiliza al aparato y metodología combinatoria descrita aquí. Haciendo referencia a la Figura 5, un diagrama de bloque funcional ilustrativo de tal aparato combinatorio, llamado aquí un sistema de reactor combinatorio 300, se muestra. Los canales de reactor 301 cada uno se proporciona con suministros de gas individuales a través de un grupo paralelo de entubado de suministro 524 cada uno se proporciona con drenajes a través de un grupo de entubado de drenaje 525. En el lado de suministro, una ó más fuentes pueden proporcionarse que suministran los varios gases utilizados en las reacciones químicas en canales de reactor 301. Por ejemplo, oxígeno gaseoso y helio pueden proporcionarse a través de puertos de entrada tal como puerto 526 y válvulas de control tal como válvula 505. Cada fuente puede tener un reguiador respectivo 518, 519, 520, así como un medidor de flujo respectivo que indica la cantidad de flujo, tal como medidor de flujo 506. Los gases se mezclan en el mezclador 504, y el entubado de suministro 524 después sale al alojamiento 320 a través de los puertos tal como puerto 503. Los tubos capilares 504 también se proporcionan para igualar la distribución de gases entrantes a los canales de reactor 301. En el lado de drenaje, el entubado de drenaje 525 se acopla a un dispositivo de ventilación o de detección 314, que en este ejemplo es una cromatografía de gas, de acuerdo con la posición de la válvula de selección de corriente 313. La válvula de selección de corriente 313 se selecciona entre posiciones entre un servomotor 501. El servo motor 501 se controla por un servo controlador 514, que a su vez se controla por la computadora 305. Como se mencionó previamente, los canales de reactor 301 se calientan por unidad de calentamiento 303, que puede proporcionar una cantidad variable de calor como se desee. Un sensor 517 detecta la temperatura actual de la unidad de calentamiento 303 y/o una unidad de calentamiento cercana del área 303. El sensor 517 proporciona una señal a una indicación de temperatura y unidad de control (TIC) 510. Basándose en la señal de realimentación, TIC 510 controla una liberación de estado sólido (SSR) 509 que cambia entre estados encendido y apagado, que a su vez regula si la unidad de calentamiento 303 genera calor. De está forma, la temperatura promedio puede controlarse exactamente. TIC 510 también puede controlarse por y/o proporcionar información de temperatura a la computadora 305 a través de una conexión en serie RS-485. La computadora 305 y/o procesador 508 pueden utilizarse para controlar alguna o todas las funciones del sistema de reactor combinatorio 300. La computadora 305 y/o procesador 508 puede incluir un micro procesador, así como una ó más puertos lógicos de transistor-transistor (TTL). El micro procesador puede operar a una velocidad relativamente alta. Por ejemplo, los microprocesadores modernos actualmente operan con una velocidad de reloj en el rango de GHz múltiple. Los puertos TTL pueden conducir uno ó más dispositivos externos, tal como motores. Por ejemplo, el procesador 508 puede controlar a los controladores 511 y 512, que a su vez controlan un motor paso a paso X 522 y un motor de paso a paso Y 523. Un servomotor Z también puede controlarse por el procesador 508 a través de un servo controlador 513. Juntos, los tres motores 521, 522, 523 controlan ia posición de plataforma 304 a lo largo de al menos tres grados de transición de libertad X, Y, Z. Además, la plataforma 304 puede girarse sobre uno ó más ejes de rotación. Como se mencionó previamente, el alojamiento de reactor 302 se mueve con la plataforma 304. El procesador 508 y/o computadora 305 puede utilizarse para sincronizar y controlar el sistema de cerradura de apertura múltiple como se describió previamente. Cualquiera de los elementos discutidos en conexión con la Figura 5 pueden abarcarse completa parcialmente dentro del alojamiento 320, o pueden estar fuera del alojamiento 320. Por ejemplo, aunque la computadora 305 se muestra en al Figura 3 como siendo externo al alojamiento 320, la computadora 305 puede disponerse completa o parcialmente dentro del alojamiento 320 como se muestra en la Figura 5. Haciendo referencia a las Figuras 6, 7, 8, y 9, se presentan varias vistas de una modalidad ilustrativa del alojamiento de reactor 302. El alojamiento de reactor 302 incluye una porción de bases 301 y una placa superior 602 configurada para ajustarse contra la porción de base 601. La porción de base 601 generalmente está en la forma de un bloque que tiene una pluralidad de ranuras alargadas paralelas 604 en las cuales se pueden colocar los canales de reactor 301. Por ejemplo, la porción de bases 601 puede tener dimensiones externas de aproximadamente 122 mm de longitud por aproximadamente 18.2 mm de profundidad por aproximadamente 65 mm de ancho. Una placa inferior 605 también puede acoplarse a lado de la porción de base 601 o poniéndose a la placa superior 602. La placa inferior 605 puede tener dimensiones de, por ejemplo, aproximadamente 118 mm por aproximadamente 61 mm. Por aproximadamente 2.5 mm de espesor. En la modalidad mostrada, la porción de base 601 tiene ocho ranuras paralelas 604. Sin embargo, cualquier número o forma (por ejemplo, rectangular, cilindrica, triangular, u otra forma geométrica) de ranuras puede formarse dependiendo del número y forma de canales de reactor 301 necesarios. Las ranuras 604 pueden tener dimensiones de, por ejemplo, aproximadamente 7.5 mm de ancho por aproximadamente 7.5 mm de profundidad, y extenderse completamente a través de los lados opuestos de la porción de base 601. Además, las ranuras 604 pueden extenderse en paralelo una con otra con un espacio de aproximadamente, por ejemplo, 14.4 mm entre los centros axiales de las ranuras vecinas 304 (es decir, en esta modalidad, aproximadamente 6.9 mm. Entre bordes de ranura vecina). Cuando la porción de base 601 y la placa superior 602 se colocan para ajustarse juntos, la placa superior 602 al menos parcialmente cubre un lado de ranuras 604 para formar canales alargados limitados por la porción de base 601 y la placa superior 602 y abrirse en lados opuestos del alojamiento de reactor 302. Debido a que la placa superior 602 removible y conectable con la porción de base 601, los canales de reactor 301 pueden moverse fácilmente e insertarse en las ranuras 604. La placa superior 602 está en la forma de un miembro substancialmente plano, delgado, y liso, y puede tener las mismas dimensiones que la placa inferior 605. La placa superior 602 tiene una pluralidad de ranura 603 formadas completamente a través de la placa superior 602. La ranura 603 pueden ser alargadas, y pueden tener dimensiones de, por ejemplo, aproximadamente 37 mm. De longitud por aproximadamente 5 mm de ancho. Cuando la porción de base 601 y la placa superior 602 se colocaron para ajustarse, cada una de las ranuras 603 se alinea longitudinalmente con un diferente respectivo de las ranuras 604. De esa forma, las ranuras 603 efectivamente forman ventanas alineadas con ranuras 604 que permiten la radiación de estimulación para ser incidente en los canales de reactor 301 cuando se colocan dentro de las ranuras 604.
Algunos o todos los alojamientos de reactor 302 pueden construirse de un material parcial o completamente transparente, tal como diamante o cuarzo, para proporcionar al menos transparencia parcial óptica, con ello permitiendo la radiación de estimulación para hacer incidente en los materiales involucrados en la reacción química de interés así como los sensores para ser capaces de medir la reacción. Alternativamente, el alojamiento de reactor 302 puede construirse de un material opaco tal como metal (por ejemplo, seleniuro de zinc). El material (es) particular del cual se construye el alojamiento de reactor 302 preferiblemente debe balancearse, sin embargo, con la temperatura restrictiva y requerimientos de presión para canales de reactor 301 durante estado pasivo y temperatura transistente (del ambiente a 100°C) y estudio de presión. Por ejemplo, una ranura en movimiento puede utilizarse para análisis óptico de varios puntos dentro del área de reacción química para limitar pérdida de calor y mantener los materiales a la temperatura deseada. Haciendo referencia a las Figuras 10 y 11, cada canal de reactor 301 se alarga y puede tener una cámara de reacción 1002 con porciones extremas 1001 longitudinalmente dispuestas en lados opuestos de la cámara de reacción 1002. La cámara de reacción 1002 puede tener dimensiones de, por ejemplo, aproximadamente 7.5 mm. De ancho (lo mismo que, o ligeramente menor que, el ancho de las ranuras 604) y aproximadamente 42 mm. De longitud. La cámara de reacción 1002 puede tener una forma generalmente rectangular u otra forma externa que cooperativamente se acopla con la forma interna de las ranuras 604. La cámara de reacción 1002 puede ser en donde las reacciones químicas de interés toman lugar. De esa forma, cuando se acoplan cooperativamente con una de las ranuras 604, la cámara de reacción 1002 se alineará para ser visible a través de una de las ranuras 603. El propósito de la cámara de reacción 1002 se sostiene en el catalizador durante la reacción catalítica. Por consiguiente, puede ser deseable que la cámara de reacción 1002 pueda al menos parcial, si no es que completamente, ser ópticamente transparente, para que los dispositivos de medida ópticos 306, 307, 308, y 309, puedan obtener una vista óptica del catalizador dispuesto dentro de la cámara de reacción 1002. Haciendo referencia a la Figura 12, el alojamiento de reactor 302 y canales de reactor 301 se muestran en conjunto con la unidad de calentamiento 303. El punto de vista de la Figura 12 siendo de vista desde arriba hacia abajo, la unidad de calentamiento 303 se dispone bajo el alojamiento de reactor 302. El calor de la unidad de calentamiento 303 viaja a través del alojamiento de reactor 302 y dentro de los canales de reactor 301. La unidad de calentamiento 303 se muestra como un elemento de calentamiento de tipo resistente, sin embargo se puede utilizar cualquier tipo de fuente de calor. De esa forma se describió una modalidad en donde la plataforma 304, alojamiento de reactor 302, y canales de reactor 301 se disponen horizontalmente. Sin embargo, la plataforma 304 puede configurarse en una disposición vertical más que la posición horizontal mostrada en la Figura 3. Una disposición vertical puede utilizarse para ayudar a evitar el paso de gas en los reactores de cama fija y también pueden a ayudar a reducir transferencia de calor al lente de microscopio de espectrómetro 311, que puede dañarse por temperaturas extremas. Cualquier flujo de calor entre los canales de reactor 301 y lente de microscopio 311 puede controlarse al enfriar canales de reactor 301 con un fluido de circulación. Un mecanismo de enfriamiento puede ser deseado a altas temperaturas de reacción, tal como aquellas que exceden 450 grados Celsius. Tales mecanismos de enfriamiento son bien conocidos por aquellos expertos en la técnica. Por ejemplo, una celda de enfriamiento comercial esta actualmente disponible en http://www.linkham.com. Además, el alojamiento del reactor 302, plataforma 304, y las varias ópticas pueden configurarse como sea apropiado para operar en tai disposición vertical. Haciendo referencia a la Figura 13, se muestra un ensamble de reactor alternativo 1300 que tiene un arreglo bidimensional de pasos de reactor, tal como pozos de reactor 1301, 1302, y 1303. Los pozos de reactor pueden disponerse substancialmente en filas lineales, tal como fila 1304, y columnas, tal como columna 1305, o en cualquier otra de las configuraciones similares a arreglo substancialmente. En donde los pozos de reactor se disponen como se muestran, cada fila y/o columna pueden pensarse funcionalmente como realizando reacciones químicas catalíticas que pueden medirse y/o evaluarse por algún aspecto del dispositivo espectroscópico combinatorio y/o método descrito en otros aspectos de la invención. Cuando se evalúan las reacciones catalíticas, cada pozo de reactor, 1301, 1302, 1303, etc. tiene un primer extremo ( por ejemplo, la parte superior) a través de los cuales los primeros reactivos pueden fluir en el pozo de reactor, y un segundo extremo opuesto (por ejemplo, el fondo) a través del cual los productos de la reacción se analiza el flujo. El catalizador (es) puede disponerse dentro de cada peso de reactor entre el primer y segundo extremos opuestos. Preferiblemente, el extremo segundo/de fondo se hace de un material poroso. El material poroso puede ser cualquier material poroso comúnmente utilizado para superficies de cama catalíticas, tal como pero no limitarse a metales (por ejemplo, aluminio). El primer extremo está preferiblemente configurado para que las porciones de espectroscopia óptica del sistema puedan determinar el volumen dinámico y naturaleza de superficie de los materiales catalíticos que se clasifican, determinar la relación estructura-actividad/selección molecular/electrónica de los materiales catalíticos o, recolectar información en las estructuras dinámicas de los materiales catalíticos. Por ejemplo, el primer extremo de cada pozo de reactor puede abrirse o cubrirse parcial o completamente por un material transparente semi transparente tal como diamante, cuarzo o selianuro de zinc que mejora las señales IR sin impedir significativamente medida que utilizan señales Raman o UV-Vis. Preferiblemente, el efluente de cada pozo de reactor (por ejemplo, 1301, 1302, 1303) se reúne para análisis posterior que utiliza espectroscopia química (por ejemplo, TPSR). El efluente puede recolectarse en cualquiera de una variedad de formas bien conocidas para aquellos expertos en la técnica tal como análisis que se puede realizar. Por ejemplo la efluente de cada pozo de reactor puede reunirse y separadamente en un vaso dedicado. Puede ser deseable en donde una pluralidad de pozos de reactor se analiza paralelos. En donde los pozos de reactor se analizan en serie, después un vaso individual puede utilizarse con el tiempo para reunir individualmente el efluente de los varios pozos de reactor (y posiblemente que se limpian entre estos). Otros aspectos de la presente invención utilizan el aparato combinatorio basado en el conocimiento ilustrativo descrito aquí para crear bibliotecas que pueden reducirse significantemente en el espacio experimental que necesitará examinarse y proporcionar información estructural molecular de materiales para aplicaciones en objetivo futuras. Por ejemplo, las bibliotecas pueden ser útiles al determinar el procedimiento de envejecimiento de un material objetivo, usualmente el factor clave en la determinación de la utilidad a largo plazo del material, y como recargar mejor los cambios de nivel molecular y electrónico responsables para los eventos de envejecimiento. La disponibilidad de tal instrumentación de caracterización de material físico y químico poderoso a la comunidad de materiales, y especialmente materiales catalíticos, avanzará significativamente el estado de la técnica en nuevo descubrimiento de material ya que las bibliotecas combinatorias pueden elevarse en muchas aplicaciones de materiales diferentes a lado de la aplicación objetivo inicial. Por ejemplo, la clasificación química combinatoria actual puede identificar un material catalítico específico para una reacción objetivo, pero la ausencia de volumen dinámico y la información de superficie previene la traducción de estos materiales a otras aplicaciones de material catalíticas y no catalíticas. Los aspectos de la presente invención que incluyen el cambio a investigaciones de nivel molecular y electrónico tienen el potencial de revolucionar el descubrimiento de nuevos materiales, que incluyen tanto cristalinos como amorfos, y sus propiedades químicas físicas para un amplio rango de aplicaciones que incluyen pero no se limitan a desarrollo de catalizador para aplicaciones de petróleo novedosos, petroquímicas, ambientales y polímero. Las bibliotecas combinatorias pueden proporcionar almacenamiento organizado y rápido acceso a nuevos espectros/datos para estudios de clasificación. Los datos pueden almacenarse que incluyen, pero no se limitan a, volumen y estructuras moleculares y electrónicas de superficie y estados de oxidación presentes en los materiales que se investigan, las características químicas de diferentes componentes elementales catalíticos cuando son moléculas de sonda química apropiadas se emplean así como información cinética y mecánica y/o la naturaleza de las especies de superficie y sus características de coordinación con diferentes cationes. La organización, acceso, búsqueda, y recuperación de información de estas bibliotecas puede realizarse utilizando cualquiera de las técnicas de alamcenamiento/acceso de datos conocidas por aquellos expertos en la técnica, que incluyen pero no se limitan a técnicas de base de datos (por ejemplo, que utilizan SQL). Los datos pueden almacenarse en cualquier tipo de medios legibles por computadora tal como pero no limitándose a una ó más unidades duras, discos removibles ópticos y/o magnéticos, cintas magnéticas, memorias, etc. tales medios legibles por computadora pueden ser legibles, escribibles, buscables que utilizan una ó más dispositivos de computo. En algunas modalidades, el software de consulta de base de datos fuera de repisa estándar puede utilizarse (y posiblemente modificarse) para acceder, buscar o recuperar información basada en medidas obtenidas que utilizan otros aspectos de la presente invención. En otra modalidad, el software de consulta de base de datos adaptado puede crearse para estos propósitos. Estas bibliotecas de base estructural y de base química molecular/electrónica pueden utilizarse para determinar las propiedades moleculares y electrónicas óptimas que darán el mejor desempeño de material para una aplicación objetiva específica. Las bibliotecas pueden utilizarse para comparar los hallazgos con ei fin de (1) analizar e interpretar los datos moleculares y electrónicos; y (2) determinar relaciones de estructuras-actividad/selección molecular/electrónica para el sistema catalítico; (3) determinar cinéticas y mecanismos de reacción; y (4) guiar estudios de clasificación combinatoria subsecuente de materiales catalíticos con desempeño mejorado que emplea un acercamiento a base de conocimientos. Además, nuevas bibliotecas combinatorias también pueden generarse para sistema catalíticos específicos que servirán como una guía para estudios de clasificación futuros de diferentes funcionalidades química (por ejemplo, alcoholes, ketenos, definas, alquenos, aromáticos, etc.). Estas bibliotecas combinatorias pueden volverse un componente benéfico para análisis de datos y estudios de clasificación de reactores de espectroscopia de operación funcional futuro, especialmente cuando se combinan con motores de software bien establecidos que rápidamente localizan los puntos óptimos en un grupo dado de datos. En resumen, se demostró en una base no combinatoria, que ambos protocolos de espetrocomia en operación y químicos facilitan la generación de información práctica y fundamental que no saturo previamente en materiales catalíticos complejos. El uso de técnicas combinatorias para aumentar la velocidad de estas técnicas de reacción estructura-superficie molecular/electrónica verdaderamente revolucionará el procedimiento de descubrimiento en un espectro amplio de aplicaciones de materiales. Además, al combinar experimentos cinéticos transistentes con medidas de estado pasivo tradicionales, ha sido posible obtener cinética de superficie y mecanismos de reacción de trayectorias de reacción de superficie complejas en una forma sin precedentes. Al aplicar el mismo protocolo de experimentos cinéticos transistentes con medidas de estado pasivo de catalizadores que están en el procedimiento de desactivación, será posible desarrollar un modelo cinético a base molecular/electrónico del procedimiento de desactivación. Todos estos resultados estarán disponibles para los buscadores catalíticos y de materiales en días o incluso horas más que en los meses de experimentación como se utilizo para ser el caso.

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1.- Un aparato para desarrollo de material que comprende: un arreglo de reactor combinatorio que tiene cámaras, una reacción ocurriendo en cada cámara respectiva; un primer instrumento configurado para medir estructuras de volumen y de superficie y especies de superficie durante cada reacción respectiva; y un segundo instrumento configurado para medir los productos de reacción de cada cámara durante cada reacción respectiva.
2.- El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la reacción es una reacción catalítica.
3.- El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer y segundo instrumentos cada uno hace sus medidas respectivas como una serie de tiempo de muestras de medida durante cada reacción respectiva.
4.- El aparato de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el primer instrumento incluye dos dispositivos que cada uno utiliza una técnica diferente para medir las estructuras de volumen y superficie de catalizador de uno de los catalizadores dado.
5.- El aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en donde solamente uno de los dos dispositivos está en un dispositivo FT-IR.
6.- El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer instrumento toma medidas utilizando espectroscopia óptica y el segundo instrumento toma medidas utilizando espectroscopia diferente a la espectroscopia óptica.
7.- El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el segundo instrumento es un dispositivo de medida de cromatografía de gas/espectroscopia de masa.
8.- El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el segundo instrumento es un dispositivo de medida TPSR.
9.- El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el arreglo de reactor combinatorio incluye una pluralidad de canales de reactor, cada canal de reactor tiene una cámara de reactor que al menos es parcialmente ópticamente transparente.
10.- El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer y segundo instrumentos realizan su medida respectiva en un tiempo substancialmente idéntico.
11.- El método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde las reacciones catalíticas no se apagan antes de que se tomen las medidas.
12.- Un método para el desarrollo de material, que comprende: proporcionar un arreglo de reactor combinatorio que tiene una pluralidad de cámaras; ocasionar que ocurra una reacción en cada cámara respectiva; medir estructuras de volumen y de superficie y especies de superficie durante cada reacción respectiva; medir un producto de reacción de cada cámara durante cada reacción respectiva.
13.- El método de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la reacción es una reacción catalítica.
14.- El método de acuerdo con la reivindicación 13, en donde cada uno de los pasos de medir incluye tomar una serie de tiempo de muestras de medida durante cada reacción catalítica respectiva.
15.- El método de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el paso de medir las estructuras de volumen y superficie de catalizador y especies de superficie incluyen tomar una medida que utiliza espectroscopia óptica y el paso de medir el producto de reacción incluye tomar una medida que utiliza una técnica diferente a la espectroscopia óptica.
16.- El método de acuerdo con la reivindicación 12, en donde el paso de medir el producto de reacción incluye hacer una medida de cromatografía de gas/espectroscopia de masa.
17.- El aparato de acuerdo con la reivindicación 12, en donde el paso de medir el producto de reacción incluye hacer una medida TPSR.
18.- Un método para medir el desempeño de catalizador, que comprende: realizar un análisis combinatorio de productos de reacciones catalíticas simultaneas durante las reacciones catalíticas; realizar análisis espectrográfico óptico de catalizadores involucrados en las reacciones catalíticas durante las reacciones catalíticas.
19.- El método de acuerdo con la reivindicación 18, en donde los pasos de desempeño ocurren en un tiempo substancialmente idéntico.
20.- El método de acuerdo con la reivindicación 18, en donde las reacciones catalíticas no se apagan antes de los pasos de realización.
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