ACS AMI | 自驱动多通道微反应：蒸腾作用启发的毛细力增强反应物和生成物的扩散

英文原题: Self-Driven MultiplexReaction: Reactant and Product Diffusion via a Transpiration-Inspired Capillary

通讯作者: 苏萌，宋延林，中国科学院化学研究所

作者: Bingda Chen, FeifeiQin, Meng Su, Zeying Zhang, Qi Pan, Miaomiao Zou, Xu Yang, Sisi Chen, DominiqueDerome, Jan Carmeliet, and Yanlin Song

图1. （a）自驱动多通道反应示意图。（b）负载纳米催化剂微通道的梯形截面结构图。（c）在相同的平均反应速率下，传统大型反应形式（MR）和自驱动多通道反应形式（SMR）之间反应器体积、催化剂用量和能耗的对比图。固液混合催化反应在现代化学工业发展和实验研究中起着重要作用，其反应速率不仅由固有动力学（inherentkinetics）决定，而且还受反应物与生成物扩散过程的限制。低效的扩散过程会浪费大量的时间、空间和能量，并且在传质和传热过程中存在引发重大事故的隐患。研究发现催化剂和反应物之间的界面性质对催化反应效率具有决定作用，通过设计不同类型的微反应器或采用高比表面积的纳米催化剂等，可有效提高反应效率。但是迄今为止，这样的反应体系还是一个挑战。通常固体催化剂表面的化学反应是瞬间完成的，因此最高效的反应形式是反应物完成反应后，后续反应物即刻到达催化剂表面，在催化剂表面活性位点连续反应。为了实现高效的固液催化反应，研究人员设计了简单的自驱动反应装置，利用纳米催化剂的高比表面积，在微结构化的反应通道中实现了扩散增强和反应物与产物的高效传输。近日，中国科学院化学研究所宋延林研究员团队，受植物毛细管驱动水运动的蒸腾作用启发，提出了在负载纳米催化剂的微通道中实现自驱动的多通道反应（SMR）。不同于经典的毛细管上升理论，利用微通道进口端与出口端液滴的可调控压差，蒸发带动多通道内液体的定向流动，无需辅助设备即可调节流速，进而控制反应速率。与传统的大型反应釜相比，微通道中的SMR使所研究的光催化反应速率提高了两个数量级以上。该反应同比可减少170倍的反应器体积，12倍的催化剂用量和50倍的能耗。

图2. （a-d）四种尺寸的TiO2纳米颗粒负载的微通道截面电镜图。（e）反应过程中不同时刻的实时荧光照片。（f）不同尺寸微通道内流速测量值与模拟值对比。（g）不同尺寸微通道内的平均反应速率。

研究人员通过非光刻的微模板印刷技术，制备了四种宽度的微通道（30，50，70，90 μm），组装三面负载二氧化钛（TiO2）纳米催化剂的微通道（4 mm ×4 mm，30 μm通道数量超过100条）。实验和模拟结果同时显示，微通道宽度越窄，反应液流速越快。微通道内TiO2光催化降解罗丹明B实验结果显示，50 ~ 90 μm之间，流速越快，平均反应速率越快。而30 μm的通道反应速率却比50μm的慢，因为虽然30 μm的通道流速较快，但是体积流量却较小，出现了反应物“供不应求”的现象。因此，体积流量决定了最终反应效率。通过流量系数（I）可以快速预测SMR设备中最高效的反应条件（通道尺寸）。图3. （a）微通道内压强分布的模拟图。（b）毛细力泵驱动的微通道流动行为模拟图。（c）不同尺寸微通道内流速分布模拟图。（d）不同尺寸通道内佩克莱数(Péclet number，简称Pe数) 和横向扩散数（traverse diffusion number）。（e）反应过程的三维激光共聚焦图像。

在经典毛细管上升理论中，通道入口侧的液体压力恒定，受通道壁粘滞力影响，较宽通道中液体的流度较快。然而在本研究中，通道入口侧的液体压力是变化的。通过两相 Lattice Boltzmann Model (LBM) 模拟研究发现，在蒸发过程中，液滴逐渐被吸入微通道，导致入口侧的液体压力不稳定，并且液滴的曲率不同导致较窄微通道入口液体压力较高，即进出口压差较大，通道内的流速变化由粘滞力主导变成进出口压差主导。因此，较窄的通道中液体的流速较快。此外，四个不同宽度通道的Pe数均大于1.0，说明较窄的微通道有助于更强的质量传递。四个不同宽度通道的横向扩散数均大于1.0，说明扩散可以成功在微通道的横截面方向上传输反应物。在这种情况下，罗丹明B从微通道入口传送到出口，反应物也同时在微通道表面被消耗。最终，研究人员设计了一种连续自供液的SMR反应装置，根据反应的快慢，及时补充反应液。4分钟反应周期内，多种荧光染料的降解率大部分能达到70%。

图4. （a）连续自供反应液的SMR装置。（b）四分钟反应周期示意图。（c）不同荧光染料4分钟内降解过程的荧光照片。（d）不同荧光染料4分钟内的降解速率。

该成果近期发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上，第一与共同第一作者：中国科学院化学研究所博士研究生陈炳达，苏黎世联邦理工学院博士后秦飞飞；通讯作者：中国科学院化学研究所宋延林研究员与苏萌副研究员。感谢国家自然科学基金、科技部、中科院青促会、北京市科技新星的支持。

扫描二维码阅读英文原文ACS Appl. Mater. Interface. 2021, 13, 18, 22031-22039Publication Date: May 3, 2021https://doi.org/10.1021/acsami.1c03614Copyright © 2021 American Chemical Society

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