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      在眾多科研與工業(yè)生產(chǎn)場景中，如催化反應(yīng)研究、環(huán)境監(jiān)測、化工生產(chǎn)及新能源開發(fā)等，高精度催化動態(tài)配氣系統(tǒng)至關(guān)重要。傳統(tǒng)配氣系統(tǒng)在精度、響應(yīng)速度及靈活性上的局限日益凸顯。微流控技術(shù)憑借在微尺度下對流體精確操控的特性，為構(gòu)建新型高精度催化動態(tài)配氣系統(tǒng)帶來變革。本文詳細(xì)剖析微流控技術(shù)在高精度催化動態(tài)配氣系統(tǒng)中的應(yīng)用，涵蓋其原理、優(yōu)勢、與 MOFs 材料耦合策略、面臨挑戰(zhàn)及未來展望，為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展提供參考。?

一、引言?

      催化動態(tài)配氣系統(tǒng)在各領(lǐng)域的重要性不言而喻。在催化反應(yīng)研究中，精準(zhǔn)模擬反應(yīng)條件是深入探究催化劑性能與反應(yīng)機理的基礎(chǔ)，從而推動新型高效催化劑的研發(fā)。環(huán)境監(jiān)測需精確配比氣體來模擬大氣污染物濃度，助力評估環(huán)境質(zhì)量及污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律?；どa(chǎn)依靠嚴(yán)格控制反應(yīng)氣體比例與流速，保障生產(chǎn)穩(wěn)定性與產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率并降低成本。新能源開發(fā)領(lǐng)域，像燃料電池研究，精確氣體供應(yīng)對優(yōu)化電池性能、提高能源轉(zhuǎn)換效率意義重大。半導(dǎo)體工藝更是對氣體純度、濃度精度及穩(wěn)定性要求嚴(yán)苛，直接關(guān)系到芯片制造質(zhì)量與良品率 。?

      隨著科技進步，各行業(yè)對催化動態(tài)配氣系統(tǒng)性能要求不斷攀升。傳統(tǒng)基于動態(tài)配氣法，借助質(zhì)量流量控制器實現(xiàn)流量控制的催化動態(tài)配氣系統(tǒng)，雖早期精度可達 ±1% - ±2%，先進的配氣儀如今精度能達 ±0.5% 甚至更高，但在面對復(fù)雜反應(yīng)體系中多氣體組分快速切換與精確配比需求時，傳統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)速度滯后，靈活性欠佳，難以迅速適應(yīng)不同實驗與生產(chǎn)場景變化，開發(fā)新型高精度催化動態(tài)配氣系統(tǒng)刻不容緩 。?

      微流控技術(shù)作為新興技術(shù)，近年來在材料科學(xué)與微納技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注。其在微尺度操控上的獨特優(yōu)勢，為解決傳統(tǒng)催化動態(tài)配氣系統(tǒng)的難題提供了新途徑，有望構(gòu)建出精度更高、響應(yīng)更迅速、靈活性更強的配氣系統(tǒng)，為眾多領(lǐng)域發(fā)展注入新動力。?

二、微流控技術(shù)原理基礎(chǔ)?

（1）微流控技術(shù)核心原理?

微流控技術(shù)聚焦于在微納尺度（一般為微米到毫米級別）對流體展開精確操控與處理。其核心原理基于微尺度下流體獨特的物理性質(zhì)。在微流控芯片內(nèi)，流體流動遵循層流規(guī)律，與宏觀尺度的湍流差異顯著。由于微通道尺寸極小，流體雷諾數(shù)（Re = ρvd/μ，其中 ρ 為流體密度，v 為流速，d 為特征長度，μ 為流體黏度）通常較低，致使流體在通道內(nèi)呈穩(wěn)定層流狀態(tài)，不同流體間界面清晰，不易混合 。?

微流控芯片由微通道網(wǎng)絡(luò)、微混合器、微反應(yīng)器、微泵、微閥等功能單元構(gòu)成。流體在微通道內(nèi)驅(qū)動方式多樣，壓力驅(qū)動通過在微通道兩端施加壓力差促使流體流動；電驅(qū)動借助電場力驅(qū)動帶電流體或含帶電粒子流體，如電泳、電滲流；磁驅(qū)動則是在流體中引入磁性粒子，依靠外部磁場對磁性粒子作用力實現(xiàn)流體運動 。?

微流控系統(tǒng)中，微混合器設(shè)計對實現(xiàn)不同流體快速、均勻混合意義重大。被動式微混合器借助微通道特殊結(jié)構(gòu)，如彎曲通道、分流 - 合流結(jié)構(gòu)等，增加流體接觸面積與擾動程度促進混合；主動式微混合器需外部能量輸入，像利用交流電動力（AC - EK）、超聲、磁場等增強流體混合效果。例如，AC - EK 混合技術(shù)通過在微通道兩側(cè)施加交流電場，誘導(dǎo)產(chǎn)生電滲流和介電泳力，使流體產(chǎn)生渦流擾動，大幅提升混合效率 。?

（2）微流控技術(shù)在氣體操控中的優(yōu)勢展現(xiàn)?

1.精準(zhǔn)流量與濃度把控?

在微流控系統(tǒng)中，通過精確調(diào)控微泵、微閥工作參數(shù)以及微通道尺寸等因素，可實現(xiàn)對氣體流量的超高精度控制。相較于傳統(tǒng)流量控制設(shè)備，微流控系統(tǒng)流量控制精度可達納升每秒甚至皮升每秒級別 。這使得在催化動態(tài)配氣過程中，能夠極其精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)各種氣體流量比例，進而實現(xiàn)對混合氣濃度的精確控制。比如在制備高精度氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時，微流控技術(shù)可精確控制不同氣源氣體流量，按所需比例混合，制備出濃度準(zhǔn)確性極高的混合氣，滿足科研與工業(yè)生產(chǎn)對氣體濃度精度的嚴(yán)格要求。?

2.高效傳質(zhì)與反應(yīng)效能?

微尺度下流體具有極大的比表面積與體積比，促使氣體在微流控系統(tǒng)中傳質(zhì)過程極為迅速。在微通道內(nèi)，氣體與其他流體（如液體反應(yīng)物、催化劑溶液等）或固體表面（如負(fù)載有催化劑的微通道壁）接觸面積劇增，傳質(zhì)距離顯著縮短，極大提升反應(yīng)速率。在一些氣 - 液 - 固三相催化反應(yīng)中，運用微流控技術(shù)能讓氣體反應(yīng)物迅速擴散至催化劑表面并與液體反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)時間可從傳統(tǒng)宏觀反應(yīng)體系的數(shù)小時甚至數(shù)天，縮短至幾分鐘甚至幾十秒 。此外，微流控系統(tǒng)中的快速傳質(zhì)還能有效減少反應(yīng)過程中的濃度梯度和溫度梯度，使反應(yīng)條件更趨均勻，有利于提高反應(yīng)選擇性和重復(fù)性。?

3.高度集成與微型化特性?

微流控技術(shù)可將多種功能單元集成于微小芯片上，實現(xiàn)系統(tǒng)高度集成化與微型化。典型的微流控催化動態(tài)配氣芯片能集成氣體流量控制單元、混合單元、反應(yīng)單元以及檢測單元等，這些功能單元在尺寸通常僅為幾平方厘米到幾十平方厘米的芯片上協(xié)同運作 。這種高度集成與微型化使設(shè)備體積大幅減小，重量減輕，功耗降低，同時提升系統(tǒng)便攜性與穩(wěn)定性。在現(xiàn)場檢測、小型化實驗裝置以及對設(shè)備空間要求嚴(yán)苛的應(yīng)用場景中，微流控技術(shù)這一優(yōu)勢尤為突出。例如在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，可將微流控配氣系統(tǒng)與氣體傳感器集成，制成便攜式氣體檢測設(shè)備，方便在野外或現(xiàn)場實時、準(zhǔn)確檢測多種氣體 。?

4.靈活多通道與高通量運作?

微流控芯片易于設(shè)計和制造多通道結(jié)構(gòu)，能夠同時對多種氣體進行獨立操控與混合。通過合理設(shè)計微通道網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)多股氣體并行輸入、混合與輸出，滿足不同實驗和生產(chǎn)過程對多組分氣體的復(fù)雜配比需求。并且，借助微流控技術(shù)的高通量特性，可在短時間內(nèi)進行大量平行實驗或反應(yīng)。比如在催化劑篩選實驗中，能在微流控芯片上構(gòu)建數(shù)百個甚至數(shù)千個微反應(yīng)器單元，每個單元通入不同配比的反應(yīng)氣體，同時對多種催化劑樣品進行性能測試，極大提高實驗效率，縮短研發(fā)周期 。?

三、微流控技術(shù)在高精度催化動態(tài)配氣系統(tǒng)中的應(yīng)用實例?

（1）微流控芯片用于氣體混合的高精度控制?

江蘇科技大學(xué)于超教授團隊研發(fā)的 “Put & Play” 自動化微流控平臺（PPAM）在氣體混合控制方面表現(xiàn)卓越。該平臺由用于催化劑裝載和包裝的 “Put” 部分，以及用于催化劑執(zhí)行和回收的 “Play” 部分組成 。在氣體混合過程中，微流控芯片的微通道對不同氣體的流動路徑、流速進行精確控制。通過蠕動泵和噴油泵模擬并實現(xiàn)均勻流和層流兩種流型，能根據(jù)反應(yīng)需求靈活調(diào)整氣體混合模式 。例如在硝基苯加氫反應(yīng)中，該平臺在 1 min 停留時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)超間歇反應(yīng) 1 h 內(nèi)的轉(zhuǎn)化率，充分展現(xiàn)了微流控芯片在精確控制氣體混合比例和流速，促進反應(yīng)高效進行方面的優(yōu)勢 。?

（2）微流控技術(shù)助力快速高效的催化反應(yīng)?

綠爾盛（重慶）環(huán)境科技有限公司在微流控氣液反應(yīng)研究中取得重要突破 。其通過流體振蕩控制技術(shù)，建立全球首個 “氣泡動態(tài)模型”，完整解析氣泡從形成到脫離的全過程力學(xué)機制 。研究發(fā)現(xiàn)高頻振蕩（可達 1000 Hz）能顯著改變氣泡受力平衡，使浮力依賴降低，氣泡提前脫離，尺寸大幅縮小 。在 1 mm 孔徑下，氣泡直徑從 3.56 mm 銳減至 0.91 mm，效率提升 74.5% 。在化工反應(yīng)中，小氣泡增加氣液接觸面積，催化反應(yīng)速率提升 50% 。這一成果表明微流控技術(shù)通過對氣液兩相的精準(zhǔn)操控，有效提高了催化反應(yīng)效率 。?

（3）多相流操控在復(fù)雜反應(yīng)條件下的應(yīng)用?

在一些涉及氣 - 液 - 固三相的復(fù)雜催化反應(yīng)中，多相流操控的微流控技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用 。通過設(shè)計具有可控液液、氣液和固液多相流操控能力的微流控反應(yīng)器，滿足復(fù)雜反應(yīng)條件 。例如在費托合成反應(yīng)中，利用懸浮流技術(shù)調(diào)節(jié)氣體流速（> 最小流化速度的 1.2 倍），維持顆粒懸浮狀態(tài)，使 CO 轉(zhuǎn)化率提高 15% 。通過集成微型電磁閥或壓電驅(qū)動器，實時調(diào)整各支路流量，能靈活應(yīng)對動態(tài)負(fù)載變化，確保反應(yīng)穩(wěn)定高效進行 。?

四、微流控技術(shù)與 MOFs 材料耦合提升配氣系統(tǒng)性能?

（1）耦合策略與方法?

1.原位合成法?

原位合成法是在微流控芯片的微通道或特定區(qū)域內(nèi)直接合成 MOFs 材料 。先將含有金屬離子和有機配體的前驅(qū)體溶液通過微通道引入反應(yīng)區(qū)域，再精確控制反應(yīng)條件，如溫度、pH 值、反應(yīng)時間等，使前驅(qū)體在微通道內(nèi)發(fā)生自組裝反應(yīng)生成 MOFs 材料 。例如，在制備負(fù)載有 MOFs 的微流控芯片時，可在微通道內(nèi)預(yù)先修飾一層具有特定官能團的涂層，這些官能團與金屬離子發(fā)生配位作用，為 MOFs 成核提供位點，隨后通入金屬離子和有機配體混合溶液，在適宜條件下，MOFs 材料便在微通道壁上原位生長 。此方法能精確控制 MOFs 材料生長位置和形態(tài)，使其與微流控芯片結(jié)構(gòu)完美適配，還可在生長過程中對其進行原位修飾和功能化，但對反應(yīng)條件控制要求嚴(yán)格，合成過程的重復(fù)性和穩(wěn)定性有待優(yōu)化 。?

2.后修飾法?

后修飾法先制備好 MOFs 材料，再通過物理或化學(xué)方法將其修飾到微流控芯片表面或內(nèi)部 。物理修飾包括物理吸附和機械固定。物理吸附利用 MOFs 材料與微流控芯片表面的范德華力、氫鍵等相互作用，將 MOFs 材料吸附在芯片表面，如將預(yù)先合成的 MOFs 粉末分散在溶液中，微流控芯片浸泡其中，經(jīng)一定時間吸附，MOFs 材料附著在芯片表面 。機械固定則通過將 MOFs 材料填充到微流控芯片特定凹槽或孔隙中實現(xiàn)固定 ?；瘜W(xué)修飾通過化學(xué)反應(yīng)在 MOFs 材料和微流控芯片表面引入特定官能團，實現(xiàn)化學(xué)鍵合。如先對微流控芯片表面進行硅烷化處理，引入硅羥基等活性官能團，再將含有能與硅羥基反應(yīng)官能團（如氨基、羧基等）的 MOFs 材料與芯片表面反應(yīng)，實現(xiàn)二者化學(xué)連接 。后修飾法操作相對簡單，對設(shè)備要求低，可選擇性能優(yōu)良的現(xiàn)有 MOFs 材料進行修飾，但存在 MOFs 材料與芯片結(jié)合不牢固、使用中易脫落的問題 。?

3.復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建法?

復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建法將 MOFs 材料與其他材料復(fù)合形成具有特定結(jié)構(gòu)和性能的復(fù)合材料，再集成到微流控芯片中 。常見復(fù)合方式有與聚合物材料復(fù)合、與無機材料復(fù)合等 。與聚合物材料復(fù)合時，將 MOFs 材料均勻分散在聚合物基體中，可改善聚合物的氣體吸附、分離和催化性能 。與無機材料復(fù)合，如與二氧化硅、氧化鋁等復(fù)合，能結(jié)合無機材料的穩(wěn)定性和 MOFs 材料的功能性 。例如，將 MOFs 材料與二氧化硅復(fù)合形成核 - 殼結(jié)構(gòu)，可用于微流控芯片中的氣體分離和催化反應(yīng) 。復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建法能綜合多種材料優(yōu)勢，但復(fù)合過程較為復(fù)雜，需優(yōu)化工藝以確保復(fù)合材料性能 。?

（2）耦合后的性能提升?

1.增強氣體吸附與分離能力?

MOFs 材料本身具有高吸附容量和選擇性吸附特性，與微流控技術(shù)耦合后，進一步增強了氣體吸附與分離能力 。在微流控芯片中，MOFs 材料可對特定氣體分子進行高效吸附和富集，利用微流控技術(shù)精確控制氣體流量和流向，使混合氣體在流經(jīng) MOFs 材料時，目標(biāo)氣體被優(yōu)先吸附，實現(xiàn)高效分離 。例如，在天然氣凈化過程中，基于 MOFs 材料與微流控技術(shù)耦合的裝置，能更精準(zhǔn)地脫除天然氣中的 H?S 等雜質(zhì)，對主要成分 CH?吸附量極小，大幅提高天然氣凈化效率 。?

2.提升催化反應(yīng)效率與選擇性?

耦合體系中，MOFs 材料豐富的活性位點為催化反應(yīng)提供基礎(chǔ)，微流控技術(shù)則實現(xiàn)對反應(yīng)條件的精確調(diào)控 。通過精確控制氣體流量、溫度、壓力等參數(shù)，使反應(yīng)物在 MOFs 材料表面的吸附、反應(yīng)和脫附過程得到優(yōu)化，提高催化反應(yīng)效率 。同時，微流控技術(shù)的微尺度效應(yīng)和對流體的精確操控，可實現(xiàn)對反應(yīng)路徑的選擇性控制，提高目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性 。在一些烯烴環(huán)氧化反應(yīng)中，耦合系統(tǒng)能根據(jù) MOFs 材料孔道尺寸和形狀選擇性，以及微流控芯片對反應(yīng)條件的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，使特定尺寸的烯烴分子優(yōu)先發(fā)生環(huán)氧化反應(yīng)，提高反應(yīng)選擇性 。?

3.實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化與集成化?

MOFs 材料與微流控技術(shù)耦合，推動催化動態(tài)配氣系統(tǒng)向小型化與集成化發(fā)展 。將 MOFs 材料集成到微流控芯片中，可在微小芯片上實現(xiàn)氣體吸附、分離、催化反應(yīng)以及檢測等多種功能 。一個小型化的微流控芯片能同時完成氣體的精確配比、混合、催化反應(yīng)以及產(chǎn)物檢測，減少設(shè)備體積和重量，降低功耗 。這種集成化系統(tǒng)在現(xiàn)場檢測、便攜式分析設(shè)備以及對空間要求苛刻的應(yīng)用場景中具有顯著優(yōu)勢，為相關(guān)領(lǐng)域提供了更便捷、高效的解決方案 。?

五、微流控技術(shù)在催化動態(tài)配氣系統(tǒng)中面臨的挑戰(zhàn)與解決方案?

（1）技術(shù)應(yīng)用中的挑戰(zhàn)?

1.微通道堵塞問題?

在微流控系統(tǒng)運行過程中，微通道堵塞是常見難題 。當(dāng)氣體中含有雜質(zhì)顆粒、催化劑顆?；蚍磻?yīng)過程中產(chǎn)生固體副產(chǎn)物時，這些物質(zhì)可能在微通道內(nèi)沉積、聚集，導(dǎo)致通道堵塞，影響氣體流動和系統(tǒng)正常運行 。例如在一些涉及氣 - 固催化反應(yīng)的微流控系統(tǒng)中，催化劑顆?？赡芤驁F聚或與微通道壁相互作用而堵塞通道 。微通道堵塞不僅會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還可能導(dǎo)致實驗結(jié)果偏差甚至實驗失敗 。?

2.長期穩(wěn)定性與可靠性保障?

微流控系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性與可靠性至關(guān)重要，但實際應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn) 。微流控芯片材料可能與氣體或反應(yīng)介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致芯片性能下降 。微泵、微閥等關(guān)鍵部件長期運行后可能出現(xiàn)磨損、泄漏等問題，影響系統(tǒng)對氣體流量和壓力的精確控制 。此外，環(huán)境因素如溫度、濕度的變化也可能對微流控系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響 。在工業(yè)生產(chǎn)等需要長時間連續(xù)運行的場景中，微流控系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性與可靠性不足，限制了其廣泛應(yīng)用 。?

3.大規(guī)模生產(chǎn)與成本控制?

目前，微流控技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)方面存在困難，導(dǎo)致設(shè)備成本較高 。微流控芯片的制造工藝復(fù)雜，需要高精度的加工設(shè)備和技術(shù)，如光刻、蝕刻等，這些工藝成本高昂且生產(chǎn)效率較低 。此外，MOFs 材料的合成與制備也需要特定的原料和條件，增加了成本 。在將微流控技術(shù)應(yīng)用于催化動態(tài)配氣系統(tǒng)時，設(shè)備的高成本使得其在一些對成本敏感的領(lǐng)域推廣受限 。實現(xiàn)微流控系統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)與有效成本控制，是推動其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題 。?

（2）應(yīng)對挑戰(zhàn)的策略與方法?

1.優(yōu)化微通道設(shè)計與預(yù)處理?

為解決微通道堵塞問題，可從優(yōu)化微通道設(shè)計與預(yù)處理入手 。在微通道設(shè)計方面，采用特殊的通道結(jié)構(gòu)，如帶有傾斜角度的通道、周期性變化橫截面的通道等，利用流體的慣性和剪切力減少顆粒沉積 。還可在微通道入口處設(shè)置過濾器，對進入微通道的氣體進行預(yù)過濾，去除雜質(zhì)顆粒 。在微通道預(yù)處理方面，對微通道壁進行表面改性，降低其表面粗糙度，減少顆粒吸附 。例如通過化學(xué)涂層使微通道壁具有疏水性，可防止液體或顆粒在壁面附著 。定期對微流控系統(tǒng)進行清洗和維護，采用合適的清洗液和清洗工藝，清除微通道內(nèi)的沉積物，保障系統(tǒng)正常運行 。?

2.材料選擇與系統(tǒng)維護?

為提高微流控系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性與可靠性，在材料選擇上，優(yōu)先選用化學(xué)穩(wěn)定性好、與氣體和反應(yīng)介質(zhì)兼容性強的材料制作微流控芯片和關(guān)鍵部件 。例如采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）、玻璃等材料制作微流控芯片，這些材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)透明性 。對于微泵、微閥等部件，選擇耐磨、耐腐蝕的材料，并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少磨損和泄漏風(fēng)險 。在系統(tǒng)運行過程中，建立完善的監(jiān)測與維護機制，實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，通過傳感器反饋及時發(fā)現(xiàn)?

產(chǎn)品展示

      SSC-CDG催化動態(tài)配氣儀，采用PLC一體化控制實現(xiàn)動態(tài)配氣、控溫、測壓、自動、手動等功能，并可通過質(zhì)量流量計來控制配氣比例實現(xiàn)動態(tài)配氣，可控制反應(yīng)裝置內(nèi)氣體配比的同時，也可以控制顯示催化反應(yīng)裝置溫度和壓力。

      SSC-CDG催化動態(tài)配氣儀可以應(yīng)用于連續(xù)流、微通道反應(yīng)、氣固、氣液、氣固液等需要氣體參與的催化反應(yīng)體系：二氧化碳催化加氫、催化CO加氫反應(yīng)、催化烯烴或炔烴加氫反應(yīng)、光熱催化甲烷干重整反應(yīng)、光熱催化煤熱解反應(yīng)、煤化工、光催化氣體污染物（VOCs）降解反應(yīng)、光催化甲烷部分氧化反應(yīng)、光熱催化甲烷偶聯(lián)反應(yīng)、光驅(qū)動sabatier反應(yīng)、光催化固氮、光催化降解VOCs等。

      SSC-CDG催化動態(tài)配氣儀還可以應(yīng)用于環(huán)保行業(yè)，可以將高濃度標(biāo)氣按照設(shè)定的稀釋比例，稀釋成各種低濃度標(biāo)氣，可校準(zhǔn)各種氣體分析儀及其氣體傳感器。廣泛適用于計量檢測，環(huán)境檢測、環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)生、大氣污染源超低排放監(jiān)測煙氣分析現(xiàn)場標(biāo)定、現(xiàn)場標(biāo)定和實驗室標(biāo)準(zhǔn)氣體配置等。