CN108405001B - 一种组合材料芯片及芯片支架 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料基因组合材料芯片设计及气固两相催化反应领域，具体涉及一种组合材料芯片及芯片支架，适用于气固两相催化反应及其所对应的活性评价体系反应器。本发明通过对组合材料芯片的结构进行打孔设计，在反应气体与活性材料更加充分接触的基础上，减小了反应器的内部气阻，提升了反应体系的安全系数，使其更加适用于气固两相反应过程。并针对固定床反应器的反应腔体设计了组合材料芯片支架，实现对组合材料芯片位置的固定，该支架能够保证材料芯片在反应器中处于垂直状态；让反应气体正面与芯片上的活性组分充分接触的同时，及时排出反应产物降低逆反应发生概率，从而提高催化材料活性的高通量评价精度。

Description

一种组合材料芯片及芯片支架
技术领域
本发明属于材料基因组合材料芯片设计及气固两相催化反应领域，具体涉及一种组合材料芯片及芯片支架，适用于气固两相催化反应及其所对应的活性评价体系反应器。
背景技术
传统的材料科学是一门实验科学，需要逐一合成逐一测试，耗时费力的合成方法制约了材料创新的速度。所以材料科学领域在不断探索寻找更加高效率的实验方法。上个世纪70年代，Hanak在研究超导材料的过程中首先提出了提高实验通量的组合材料概念，他采用共溅射方法一次性合成完整的二元或者三元组合材料，并对样品进行了快速，无损，全面的成分和结构分析，以及扫描式的快速测试，通过计算机对测试数据进行处理，以表格、图形或者数学表达式的形式输出材料的结构和性能数据。与传统的材料研究手段相比，组合材料芯片的方法将二元材料的研究效率提高了30倍，三元体系的研究效率提高了750倍。实现了材料数据的高通量快速积累。
组合材料芯片是材料基因组技术的核心工具，多基于高通量化学气相沉积或者磁控溅射装备，实现在单个材料芯片上多元多组分的组合材料沉积，常见的组合材料芯片基底的材料是玻璃、导电玻璃、硅片等。一般材料芯片的形状为正多边形(正三角形或者正方形为主)，芯片的厚度与对应的芯片制造装备相关，一般为0.5～2mm。此外现有的组合材料芯片基底均为一整片完整的材料。组合材料芯片的应用研究是通过表征材料芯片上各组成材料的晶相结构、厚度等结构参数，构建一个材料芯片的相图。
为了更全面的构建组合材料芯片的构效关系，因此需要在表征测试的基础上，将其直接放入一个特定的目标反应体系中，通过直接评价材料芯片的性能来构建材料芯片活性数据库。但是现有组合材料芯片的仅能够满足一般的材料芯片表征方式，用于气固两相反应活性评价过程时，其产生的反应产物在组合材料芯片上的滞留时间过长，进而加大与的活性组分发生逆反应的概率，使得评价结果不佳。例如当我们需要将催化剂材料制备成组合材料芯片，并且评价其催化活性的时候就需要将材料芯片放置在固定床反应器(气固两相反应)内，通常需要反应气体及时通过材料芯片，且和芯片上的每一种组分都接触。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为提高组合材料芯片用于活性评价结果的精度，本发明提供了一种组合材料芯片及芯片支架。
本发明的技术方案如下：
一种组合材料芯片，适用于活性评价的气固两相催化反应，其上设置有贯通两面的通孔，以实现反应气体与催化剂表面活性组分充分接触的前提下，减小反应气阻，及时排出反应产物降低逆反应的发生概率，同时提高了催化反应的安全性(即气阻过大反应器存在的安全隐患)。
进一步的，所述通孔的孔径1～2mm，不可过大，否则会影响材料芯片上的组分单元，通孔位置优选组合材料芯片各组分的边界交点，均匀分散为佳。
一种组合材料芯片支架，为圆弧型片状结构，其圆弧的弧度与固定床反应器的内部圆柱反应腔体相适应；支架上设有一个贯通的槽，槽宽与组合材料芯片的厚度大小相适应，槽长大于组合材料芯片夹持边的长度，以夹持组合材料芯片并使其垂直槽所在的面。使用时将组合材料芯片夹持于支架的贯通槽，置于固定床反应器的圆柱反应腔体内部，使得组合材料芯片的平面与圆柱反应腔体的圆柱面平行。
进一步的，所述支架上开两个小孔，用于配合工具推送其在反应腔体中的进出。
本发明基于组合材料芯片技术背景和高通量物理气相沉积设备，通过对组合材料芯片的结构进行打孔设计，在反应气体与活性材料更加充分接触的基础上，减小了反应器的内部气阻，提升了反应体系的安全系数，使其更加适用于气固两相反应过程。
并针对固定床反应器的反应腔体设计了组合材料芯片支架，实现对组合材料芯片位置的固定，该支架能够保证材料芯片在反应器中处于垂直状态；让反应气体正面与芯片上的活性组分充分接触的同时，及时排出反应产物降低逆反应发生概率，从而提高催化材料活性的高通量评价精度。
附图说明
图1为实施例的组合材料芯片；
图2为实施例的溅射了Cu，ZrO两元的组合材料芯片结构；
图3为实施例的组合材料芯片支架正视图；
图4为实施例的组合材料芯片支架主视图；
图5为实施例的被支架固定的组合材料芯片的侧视图；
图6为实施例的被支架固定的组合材料芯片的正视图；
图7为实施例的气固两相反应腔体透视图；
图8为实施例的气固两相反应腔体正视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本实施例针对CO2催化加氢体系的三元催化剂(以Cu-ZnO-ZrO为例)设计了适用于高通量物理气相沉积装备的三元组合材料芯片，通过对ZnO芯片基底结构的改变使其更加适用于气固两相催化反应。
设计具有均匀通孔结构的组合材料芯片(正三角形)，确保反应气体(CO2+H2)与芯片上催化活性组分的充分接触，同时也能及时的通过材料芯片上的通孔，排出反应器，减小反应气阻和逆反应发生的概率，提高气固两相反应的安全系数和评价精度；通过在石英管(反应腔体)内安装组合材料芯片支架，确保组合材料芯片在整个反应过程中保持固定直立位置，从而获得更加可靠的反应评价活性数据。
步骤1：选用ZnO作为Cu-ZnO-ZrO2三元组合材料芯片的基底，形状为正三角形，厚度2mm，边长76mm。
步骤2：在ZnO基片上沿着三个角的中线均匀设置通孔，孔径为1.5mm，孔间距为2mm。
步骤3：将ZnO基片放置在高通量磁控溅射装备的基台上，通过调节掩模的步长、功率和气氛，以Cu和ZrO2为靶材，制备Cu-ZnO-ZrO2三元组合材料芯片。
步骤4：将该组合材料芯片放置在组合材料芯片支架上(支架的弧度与反应腔体内径相适应)，固定芯片的槽长与芯片基底的边长相匹配，保证ZnO基片垂直固定在固定床反应器的中央。
组合材料芯片支架设计如附图3、附图4所示：为了使得材料芯片能被固定在固定床反应器中，正面和反应气体对接，本发明设计了适用于固定床反应器的材料芯片支架。该固定支架底部还开有两个孔，便于工具推送其在反应腔体的进出。中心位置开槽，槽宽度与组合材料芯片的厚度相适应。
将组合材料芯片安装在半圆形片状芯片支架上，该支架的弧度与石英管反应管(反应腔体)内径相适应，如附图7和8所示，将芯片支架放置到石英管反应器的中，至此，一个催化组合材料芯片的固定床反应器搭建完成，反应器左端为进气口，右端为出气口。

Claims (6)

1.一种组合材料芯片，其特征在于：其上设置有贯通两面的通孔，适用于活性评价的气固两相催化反应；以实现反应气体与催化剂表面活性组分充分接触的前提下，减小反应气阻，及时排出反应产物降低逆反应的发生概率。
2.如权利要求1所述组合材料芯片，其特征在于：所述通孔的孔径1～2mm。
3.如权利要求1所述组合材料芯片，其特征在于：所述通孔均匀分散在组合材料芯片各组分的边界交点。
4.一种组合材料芯片支架，其特征在于：用于放置如权利要求1所述组合材料芯片，为圆弧型片状结构，其圆弧的弧度与固定床反应器的内部圆柱反应腔体相适应；支架上设有一个贯通的槽，槽宽与组合材料芯片的厚度大小相适应，槽长大于组合材料芯片夹持边的长度，以夹持组合材料芯片并使其垂直槽所在的面。
5.如权利要求4所述组合材料芯片支架，其特征在于：所述支架上还开两个孔，用于配合工具推送其在反应腔体中的进出。
6.如权利要求4所述组合材料芯片支架，其特征在于：使用时将组合材料芯片夹持于支架的槽，置于固定床反应器的圆柱反应腔体内部，使得组合材料芯片的平面与圆柱反应腔体的圆柱面平行。
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