DE19861356B4 - Method for testing the catalytic activity of solids exposed to a reaction gas - Google Patents
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Abstract
Im vorliegenden Verfahren wird eine Anordnung zum Testen der katalytischen Aktivität von einem Reaktionsgas ausgesetzten Feststoffen eingesetzt, die u.a. folgende Komponenten umfasst: Eine Aufnahmeeinheit (1), die mehrere Ausnehmungen (7) zur Aufnahme jeweils eines Feststoffes und eine gemeinsame Gaszufuhr und den einzelnen Ausnehmungen zugeordnete Kanäle (8) aufweist. Diese Anordnung wird gemäß erfindungsgemäßem Verfahren so betrieben, dass alle Feststoffe gleichzeitig dem Reaktionsgas ausgesetzt sind, und die bei der Reaktion entstehenden Produkte über die Kanäle getrennt abgeführt und einer Analyseeinheit zugeführt werden können. Die Ausnehmungen zur Aufnahme der Feststoffe sind bevorzugt in Form einer Matrix angeordnet.The present method employs an arrangement for testing the catalytic activity of reaction gas-exposed solids, which i.a. comprises a receiving unit (1) having a plurality of recesses (7) for receiving a respective solid and a common gas supply and the individual recesses associated channels (8). This arrangement is operated according to the inventive method so that all solids are simultaneously exposed to the reaction gas, and the products resulting from the reaction can be removed separately via the channels and fed to an analysis unit. The recesses for receiving the solids are preferably arranged in the form of a matrix.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen der katalytischen Aktivität von einem Reaktionsgas ausgesetzten Feststoffen mit einer Einheit zur Aufnahme der Feststoffe und einer Einheit zur Analyse der bei der Reaktion entstehenden Produkte.The The invention relates to a method for testing the catalytic activity of a Reactive gas exposed solids with a unit for receiving the solids and a unit of analysis of the reaction resulting products.
Zur Herstellung und Charakterisierung von Katalysatoren werden die potentiell aktiven Träger- und Katalysatorkomponenten in vermeintlich geeigneter Weise kombiniert und die so geschaffenen Mehrkomponentengemische mit einer geeigneten Testreaktion unter bestimmten, meist durch technische Limitierungen festgesetzten Bedingungen getestet. Während die Synthese solcher Materialien oft noch mit zeitlich überschaubarem Aufwand bewältigt werden kann, stellt die Erprobung der Katalysatoren hingegen einen sehr zeit- und arbeitsaufwendigen Schritt dar. Im allgemeinen wird das zu testende Material in einen eigens hierfür konzipierten Labortestreaktor eingefüllt und unter vorgegebenen Parametern auf seine Tauglichkeit für die jeweilige Umsetzung eines Eduktgemisches getestet.to The preparation and characterization of catalysts are potentially active carrier and Catalyst components combined in supposedly suitable manner and the multicomponent mixtures thus created with a suitable test reaction under certain, mostly technical limitations Conditions tested. While the synthesis of such materials often still with time-manageable Effort to be handled On the other hand, the testing of the catalysts is very time-consuming and labor-intensive step In general, the material to be tested in a specially therefor designed laboratory test reactor filled and under predetermined Parameters for its suitability for the respective implementation of a Educt mixture tested.
Die
Die WO 97/32208 beschreibt im Ausführungsbeispiel 23 einen keramischen Monolithen mit Kanälen, die den Monolithen auf dessen gesamter Länge senkrecht durchzuziehen, und die mit Katalysatoren beschichtet sind. Die Kanäle werden mit Reaktionsgas durchströmt. Eine Anordnung von Schnüffelrohren wird dazu verwendet, die reagierenden Gasströme gaschromatographisch bzw. massenspektrometrisch zu untersuchen.The WO 97/32208 describes in the embodiment 23 a ceramic monolith with channels that the monolith on its entire length pull through vertically, and which are coated with catalysts. The channels are traversed with reaction gas. An arrangement of sniffing pipes is used to the gas streams by gas chromatography or to be analyzed by mass spectrometry.
Darüber hinaus ist die gleichzeitige Austestung von Katalysatoren in mehreren separaten Reaktoren bekannt, die von einer gemeinsamen Gasaufbereitung versorgt werden. Auch bei der Austestung von Katalysatoren in Parallelreaktoren ist das Beschicken der Katalysatoren mit den zu testenden Materialien eine zeit- und arbeitsaufwendige Maßnahme. Nachteilig ist auch, daß die Anzahl der zur Verfügung stehenden Reaktoren, die sich parallel betreiben lassen, in der Praxis begrenzt ist.Furthermore is the simultaneous testing of catalysts in several separate Reactors known that supplies of a common gas treatment become. Also in the testing of catalysts in parallel reactors is the charging of the catalysts with the materials to be tested a time-consuming and labor-intensive measure. Another disadvantage is that the Number of available standing reactors, which can be operated in parallel, in the Practice is limited.
Eine entscheidende Neuerung der letzten Jahre in der bio-organischen Synthese war die Entwicklung kombinatorisch synthetischer Verfahren (Furka, A., Sebastién, F., Asgedom, M., Dibó, G., Abstr.-14th Int. Congr. Biochem., Prag 1988, Vol. 5, 47). Meist wird bei solchen Synthesen nur mit sehr kleinen Substanzmengen gearbeitet und oft werden polymere Träger zur Fixierung einer der Reaktanden und der entstehenden Produkte verwendet. Somit stellt die kombinatorische Synthese heute eines der Standardwerkzeuge in der bio-organischen Chemie dar. Das effiziente Testen einer Substanzbibliothek, die durch solche synthetische Verfahren hergestellt wurde, ist derzeit im sogenannten "high throughput screening" bei dem Testen potentieller Pharmazeutika am weitesten vorangetrieben worden. Derzeitige Testmethoden basieren auf der Zudosierung des jeweiligen Stoffes aus der Substanzdatenbank zu einem Enzym oder Zellkulturen, die die Anwesenheit einer Wechselwirkung zwischen dem Stoff und einer bestimmten aktiven Stelle im Enzym oder im Zellstoffwechsel durch eine Lumineszenz anzeigen. Die Substanzen aus den Bibliotheken werden in sogenannten "Arrays", unter denen Platten mit Vertiefungen, die als Reaktionsgefäße dienen, zu verstehen sind, mit dem jeweiligen Testsystem in Kontakt gebracht, danach erfolgt oft noch eine geeignete Weiterbehandlung der Probe (Bestrahlung, Inkubation, etc.), an die sich der abschließende Bewertungstest anschließt.A crucial innovation of recent years in the bio-organic Synthesis was the development of combinatorial synthetic methods (Furka, A., Sebastién, F., Asgedom, M., Dibo, G., Abstr. 14th Int. Congr. Biochem., Prague 1988, Vol. 5, 47). Most of time is used in such syntheses only with very small amounts of substance and often become polymeric carriers for fixing one of the reactants and the resulting products used. Thus, the combinatorial synthesis today one the standard tools in the bio-organic Chemistry. The efficient testing of a substance library, the produced by such synthetic methods is currently in the so-called "high throughput screening " most advanced testing of potential pharmaceuticals Service. Current test methods are based on the addition of the substance from the substance database to an enzyme or Cell cultures that determine the presence of an interaction between the substance and a specific active site in the enzyme or in the cell metabolism indicate by a luminescence. Substances from libraries are in so-called "arrays", under which plates with depressions, which serve as reaction vessels, are to be understood, contacted with the respective test system, then done often a suitable further treatment of the sample (irradiation, Incubation, etc.), followed by the final assessment test.
Die ersten Ansätze einer Übertragung kombinatorischer Synthese- und Testverfahren auf anorganische Festkörper wurden 1995 von Schultz et al. veröffentlicht (Xiang, X.-D., Sun, X., Briceno, G., Lou, Y., Wang, K. A., Chang, H., Wallace-Freedman, W. -G., Chen, S. -W., Schultz, P. G., Science 268, 1995, 1738 und Briceno, G., Chang, H., Sun, X., Schultz, P. G., Xiang, X. -D., Science 270, 1995, 273 sowie Sun, X. -D., Wang, K. -A., Yoo, Y., Wallace-Freedman, W. G., Gao, C., Xiang, X. -D., Schultz, P. G., Adv. Mater. 9, No. 13, 1997, 1046 und Wei, T., Wallace-Freedman, W. G., Schultz, P. G., Xiang, X. -D., Appl. Phys. Lett. 68, 1996, 3506). Hierbei wird zur Herstellung der Verbindung ein Beschichtungsverfahren verwendet, das durch Maskentechniken die Herstellung verschiedener Kombinationen auf einem Substrat erlaubt.The first approaches a transmission Combinatorial synthesis and testing of inorganic solids were 1995 by Schultz et al. released (Xiang, X.-D., Sun, X., Briceno, G., Lou, Y., Wang, K.A., Chang, H., Wallace-Freedman, W. -G., Chen, S. -W., Schultz, P.G., Science 268, 1995, 1738 and Briceno, G., Chang, H., Sun, X., Schultz, P.G., Xiang, X.D., Science 270, 1995, 273 and Sun, X.D., Wang, K. -A., Yoo, Y., Wallace-Freedman, W.G., Gao, C., Xiang, X. -D., Schultz, P.G., Adv. Mater. 9, no. 13, 1997, 1046 and Wei, T., Wallace-Freedman, W.G., Schultz, P.G., Xiang, X. -D., Appl. Phys. Lett. 68, 1996, 3506). Here, a coating method is used to prepare the compound used that by masking techniques the production of various Combinations allowed on a substrate.
Der entscheidende Nachteil der von Schultz et al. beschriebenen Methode besteht zum ersten darin, daß durch die Beschichtungsverfahren nur ein sehr kleiner Teil der chemisch möglichen Kombination hergestellt wird, die mit herkömmlichen bei der Katalysatorpräparation üblichen naßchemischen Verfahren erhalten werden können. Somit wird die Bibliothek der möglichen katalytisch aktiven Kandidaten erheblich verkleinert. Ein Verfahren zum Austesten der katalytischen Aktivität der Materialien ist nicht beschrieben.Of the decisive disadvantage of Schultz et al. described method The first is that through the coating process is only a very small part of the chemical potential Combination is made, which are conventional with conventional in the catalyst preparation Wet chemical method can be obtained. Thus the library becomes the possible one catalytically active candidate considerably reduced. A procedure to test the catalytic activity of the materials is not described.
Auf dem Gebiet des gleichzeitigen Austesten von Katalysatoren wurde eine Arbeit von Luss et. al. veröffentlicht (Moates, F. C., Somani, M., Annamalai, J., Richardson, J. T., Luss, D., Willson, R. C., Ind. Eng. Chem. Res. 35, 1996, 4801), bei der Katalysatorpellets durch Infrarot Thermographie getestet wurden. Diese Methode ist jedoch auf Reaktionen mit großer Wärmetönung limitiert. Selektivitätsunterschiede werden nicht erfaßt.In the field of simultaneous testing of catalysts, a work by Luss et. al. (Moates, FC, Somani, M., Annamalai, J., Richardson, JT, Luss, D., Willson, RC, Ind. Eng. Chem. Res. 35, 1996, 4801) in which catalyst pellets were tested by infrared thermography. However, this method is limited to reactions with high heat of reaction. Selectivity differences are not detected.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem sich die katalytische Aktivität von einem Reaktionsgas ausgesetzten Feststoffen ahne größeren Zeit- und Arbeitsaufwand effektiv testen läßt.Of the Invention has for its object to provide a method with which the catalytic activity is exposed to a reaction gas Solids without major time and workload can be tested effectively.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The solution This object is achieved according to the invention with the features of the claim 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die simultane aber auch sequentielle Erprobung einer größen Anzahl von Festkörperkatalysatoren, die einem Reaktionsgas ausgesetzt sind, wobei die Bedingungen wie Druck, Temperatur etc. frei variiert werden können.The inventive method allows the simultaneous but also sequential testing of a large number of solid state catalysts, which are exposed to a reaction gas, the conditions such Pressure, temperature, etc. can be freely varied.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Anordnung umfaßt eine Aufnahmeeinheit, die mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Feststoffes aufweist, dessen katalytische Aktivität getestet werden soll. Über eine gemeinsame Gaszufuhr werden alle Feststoffe in der Aufnahmeeinheit dem Reaktionsgas gleichzeitig ausgesetzt. Der Gasstrom wird in den einzelnen Ausnehmungen zugeordneten Kanälen abgeführt, so dass die über jeden Katalysator entstehenden Produkte separat für jeden Feststoff in der Analyseeinheit analysiert werden können. Die Analyse kann beispielsweise durch die bekannten spektroskopischen, spektrometrischen oder chromatographischen Verfahren erfolgen. Während der Testphase kann jeweils nur einer der Kanäle zur Analyseeinheit freigeschaltet sein, während das über die anderen Kanäle abgeführte Gas nicht analysiert wird. Die Aufnahmeeinheit ermöglicht aber auch die Analyse des über mehrere Kanäle abgeführten Gasstroms. Es können auch beliebig viele Kanäle geschlossen werden, so daß sie nicht vom Reaktionsgas durchströmt werden.The in the process according to the invention used arrangement comprises a receiving unit having a plurality of recesses for receiving each a solid having tested its catalytic activity shall be. about a common gas supply will be all solids in the receiving unit exposed to the reaction gas simultaneously. The gas flow is in the individual recesses assigned to channels, so that the over each Catalyst resulting products separately for each solid in the analysis unit can be analyzed. The analysis can be carried out, for example, by the known spectroscopic, carried out by spectrometric or chromatographic methods. During the Test phase can only unlock one of the channels to the analysis unit be while the above the other channels dissipated Gas is not analyzed. The recording unit allows but also the analysis of over several channels dissipated Gas flow. It can also any number of channels be closed so that they does not flow through the reaction gas become.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Aufnahmeeinheit sind die Ausnehmungen in Form einer Matrix angeordnet. Die Anordnung in Form einer Matrix ermöglicht nicht nur die Erprobung einer großen Anzahl von Katalysatoren auf engem Raum, sondern erleichtert auch das Einbringen der zu testenden Feststoffe in die Ausnehmungen mittels einer Beschickungseinheit, in der die Katalysatoren synthetisiert und dann in die Ausnehmungen der Aufnahmeeinheit überführt werden. Es ist aber auch möglich, die Katalysatoren direkt in der Aufnahmeeinheit zu synthetisieren.In a preferred embodiment the receiving unit, the recesses are arranged in the form of a matrix. The arrangement in the form of a matrix not only allows the testing a big one Number of catalysts in a small space, but also facilitates the introduction of the solids to be tested in the recesses by means a feed unit in which the catalysts are synthesized and then transferred to the recesses of the receiving unit. But it is also possible to synthesize the catalysts directly in the receiving unit.
Die Kanäle zum Abführen des Gasstroms befinden sich vorzugsweise am Boden der Ausnehmungen, so daß die Katalysatoren von dem Reaktionsgas durchströmt werden.The channels for discharging the gas stream are preferably located at the bottom of the recesses, So that the Catalysts are flowed through by the reaction gas.
Die Beschickungseinheit zum gleichzeitigen Einbringen der Stoffe in die Aufnahmeeinheit weist den einzelnen Ausnehmungen zugeordnete Kanäle auf, in denen die Katalysatoren nach kombinatorischen Methoden räumlich getrennt hergestellt werden können. Um die Kanäle der Beschickungseinheit zum Synthetisieren der Feststoffe verschließen zu können, ist vorteilhafterweise ein Schieber vorgesehen, der sämtliche Kanäle verschließt bzw. freigibt.The Feeding unit for the simultaneous introduction of the substances in the receiving unit has the individual recesses associated Channels on, in which the catalysts are spatially separated by combinatorial methods can be produced. To the channels to close the feed unit to synthesize the solids is advantageously provided a slide, all channels closes or releases.
Die Kanäle der Beschickungseinheit sind entsprechend den Ausnehmungen der Aufnahmeeinheit angeordnet. Zum Überführen der Feststoffe wird die Beschickungseinheit an die Aufnahmeeinheit angesetzt, wobei die Kanäle der Beschickungseinheit dann mit den Ausnehmungen der Aufnahmeeinheit fluchten.The channels the loading unit are corresponding to the recesses of the receiving unit arranged. To transfer the Solids the feed unit is attached to the receiving unit, the channels the feed unit then aligned with the recesses of the receiving unit.
Zum Auspressen der Feststoffe aus den Ausnehmungen umfaßt die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhafterweise ein Preßwerkzeug, das den Kanälen der Beschickungseinheit zugeordnete Preßstempel aufweist.To the Squeezing the solids from the recesses comprises the arrangement according to the invention advantageously a pressing tool, that the channels having the loading unit associated with ram.
Zur Justierung verfügt die Aufnahmeeinheit über einen umlaufenden Ansatz, in den die Beschickungseinheit passend eingesetzt werden kann. Bei abgenommener Beschickungeinheit wird auf den umlaufenden Ansatz der Aufnahmeeinheit ein Deckel gesetzt, so daß eine gemeinsame Gaszufuhrkammer für die Ausnehmungen in der Aufnahmeeinheit geschaffen wird. Durch eine Bohrung im Deckel kann das Reaktionsgas dann der gemeinsamen Gaszufuhrkammer zugeführt werden.to Adjustment features the recording unit over a circumferential approach in which the feed unit fits can be used. When the loading unit is removed set a lid on the peripheral approach of the receiving unit, so that one common gas supply chamber for the recesses is created in the receiving unit. By a Bore in the lid, the reaction gas then the common gas supply chamber supplied become.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Aufnahmeeinheit eine Heizeinrichtung auf, um die gewünschte Reaktionstemperatur einstellen zu können.In a further preferred embodiment the receiving unit has a heater to the desired reaction temperature to be able to adjust.
Die zu testenden Festkörperkatalysatoren sitzen vorzugsweise auf Plättchen aus porösen Material, die in den Ausnehmungen der Aufnahmeeinheit quer zur Strömungsrichtung des Reaktionsgases angeordnet sind.The sit to be tested solid state catalysts preferably on platelets made of porous Material in the recesses of the receiving unit transverse to the flow direction of the reaction gas are arranged.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zum Testen der katalytischen Aktivität von einem Reaktionsgas ausgesetzten Feststoffen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.in the The following will be an embodiment of inventive arrangement for testing the catalytic activity of a reaction gas exposed Solids, with reference to the drawings explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
Die
Anordnung zum Testen der katalytischen Aktivität von Feststoffen umfaßt eine
Aufnahmeeinheit
Am
Boden jeder Ausnehmung
An
der Oberseite des Messingkörpers
Der
Messingkörper
Die
zu untersuchenden Katalysatoren sitzen jeweils auf einem Plättchen
Zum
gleichzeitigen Testen der Katalysatoren wird der Deckel
Die
bei der Reaktion entstehenden Produkte werden für jeden Katalysator über die
separaten Kanäle
An
dem Auslaß jedes
Kanals
Je
nach der Schaltstellung der Multiportventile können die bei der Reaktion entstehenden
Produkte für
jeden Katalysator getrennt nacheinander der Analyseeinheit
Anstelle
einer Ventilanordnung zum Freischalten der einzelnen Kanäle kann
auch unterhalb der Aufnahmeeinheit
Zwischen
dem Ober- und Unterteil
Der
Schieber
Nachfolgend wird eine Kohlenmonoxidoxidation an kombinatorisch hergestellten Katalysatoren unter Verwendung der obigen Testanordnung beschrieben.following is a carbon monoxide oxidation of combinatorial produced Catalysts described using the above test arrangement.
Für diese Testreaktion wurden kombinatorisch hergestellte Katalysatoren aus den Trägern Zcolith Y, Aluminiumoxid, Titandioxid und Zirconiumoxid in Kombination mit den potentiell katalytisch wirksamen Metallen Platin und Palladium und dem Promotor Cer für die Testreaktion der katalytischen Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid erprobt. Hierbei wurden die Katalysatoren einem Reaktionsgasgemisch aus synthetischer Luft und 80 Kohlenmonoxid ausgesetzt. Die Temperatur der Reaktionsgasatmosphäre wurde schrittweise erwärmt und dabei der Produktgasstrom in den einzelnen Kanälen für die jeweilige Reaktionsgastemperatur spektroskopisch analysiert.For this Test reaction were combinatorially prepared catalysts the bearers Zcolith Y, alumina, titania and zirconia in combination with the potentially catalytically active metals platinum and palladium and the promoter cerium for the test reaction of the catalytic oxidation of carbon monoxide too Tested carbon dioxide. Here, the catalysts were a reaction gas mixture exposed to synthetic air and 80 carbon monoxide. The temperature the reaction gas atmosphere was heated gradually and thereby the product gas flow in the individual channels for the respective Reaction gas temperature analyzed spectroscopically.
Die
Katalysatoren werden in dem Oberteil des zylindrischen Körpers der
Beschickungseinheit bei verschlossenem Schieber synthetisiert. Dabei wird
in jeder der vier Spalten ein anderes Trägermaterial deponiert, z.B.
in Spalte
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