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Rapprocher IRM / RMN à Microreactors

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Dans une étape importante vers l'amélioration de la conception des futurs réacteurs catalytiques et de catalyseurs, en particulier pour les microfluidique "lab-on-a-chip" dispositifs, les chercheurs de l'US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Et l'Université de Californie (UC) à Berkeley, ont appliqué avec succès l'imagerie par résonance magnétique (IRM) à l'étude des réactions en phase gazeuse sur le micro.

Sous la direction d'Alexander Pines, de la faculté scientifique senior à Berkeley Lab Division de la science des matériaux et de la Glenn T. Seaborg professeur de chimie à l'UC Berkeley, une équipe de chercheurs qui comprenait des chimistes Louis Bouchard et Scott Burt ont développé une technique dans laquelle parahydrogen-polarisées Le gaz est utilisé pour faire une IRM de signaux assez forts pour fournir visualisation directe de la phase gazeuse circulation de l'actif catalyseurs dans emballés-lit microreactors. Ce travail, la première application de l'IRM en phase gazeuse à la microfluidique catalyse, montre que parahydrogen-enhanced IRM peut être utilisée pour le suivi des gaz et des liquides dans des dispositifs microfluidiques, ainsi que dans les espaces vides d'un catalyseur tassant réacteur lit.

"C'est la première fois hyperpolarisés gaz a été utilisé pour étudier directement réaction catalytique produits sur une petite échelle et sans l'utilisation de particules ou de gaz traceur», affirme M. Bouchard. "Il ouvre la voie à de futures études de la catalyse hétérogène dans lequel tous les avantages uniques de l'IRM, comme velocimetry et de l'espace dépend des quantités, sont disponibles."

Burt ajoute, «De plus, nos résultats indiquent que notre approche à l'aide parahydrogen peut être étendu à d'autres réactions chimiques au-delà de l'hydrogénation, ce qui élargit considérablement l'impact et l'utilisation potentielle de notre technique."

Pines, Bouchard et Burt sont les co-auteurs d'un document publié dans le 25 janvier 2008 édition de la revue Science, décrivant cette recherche. Le document est intitulé: "NMR Imaging of hydrogénation catalytique dans Microreactors avec l'utilisation du para-hydrogène." Les autres co-auteurs de ce document ont été Sabieh Anwar, qui est un ancien membre des Pins' groupe de recherche actuellement à l'Université de Lahore, au Pakistan, et Kirill Kovtunov et Igor KOPTYUG, de l'International Center Tomography, à Novosibirsk, en Russie, qui sont des experts dans la catalyse Et l'utilisation de l'IRM pour étudier les procédés catalytiques.

Commentant le document de la Science, Jeffrey Reimer, qui préside l'UC Berkeley Chemical Engineering Department, a dit: "La distribution spatiale et temporelle des réactifs et des produits dans des systèmes hétérogènes n'a pas été visité par les chercheurs ces dernières années en raison de l'absence de mesures quantitatives en Situ. Ainsi, tandis que la sophistication de la modélisation mathématique de ces systèmes produit à la vitesse à laquelle la puissance de calcul augmente, la pertinence de ces modèles est douteuse car elles ne peuvent être comparées avec des mesures autres que la majeure partie des propriétés de la température, de la conversion,… Les méthodes et Données présentées dans ce document augurer une nouvelle ère de la mesure, la modélisation et la conception de réacteurs plus efficaces. "

Depuis presque tous les procédés de fabrication qui impliquent la chimie commencer par une réaction catalytique, il ya une prime à la conception de nouveaux et de meilleurs catalyseurs et de réacteurs catalytiques. Cela est particulièrement vrai pour le secteur en expansion de la technologie des puces microfluidiques. IRM et de la résonance magnétique nucléaire (RMN), sa sœur de la technologie, sont parmi les plus puissants outils d'analyse connus de la science et pourraient se révéler précieuses pour la caractérisation de réactions catalytiques en réacteurs et les dispositifs microfluidiques. Toutefois, la faible sensibilité de l'IRM classique / techniques RMN a limité leur applicabilité à micro-recherche en catalyse.

Pour les résultats signalés dans le document de la Science, de pins, de Bouchard et Burt ont pu surmonter les inhérente faible sensibilité de l'IRM / RMN grâce à l'utilisation de parahydrogen.

IRM / RMN signaux sont rendues possibles par une propriété trouvée dans les noyaux atomiques de la quasi-totalité des molécules appelées "spin", qui donne lieu à un moment magnétique, ce qui signifie que les noyaux se comportent comme s'ils étaient des aimants bar avec un pôle nord et le sud. L'obtention d'une IRM / RMN signal dépend de l'excès des noyaux d'un échantillon de spins pointant dans une direction ou dans l'autre.

À température et pression standard, le gaz hydrogène existe dans l'une des deux formes moléculaires - ortho et para - à l'ancien qui composent environ 75 pour cent du mélange. Les deux formes moléculaires sont diatomique, mais dans orthohydrogen, les tours des deux protons dans les noyaux sont pointés dans la même direction, alors que dans parahydrogen, les tours des deux protons dans des directions opposées. En augmentant la fraction de parahydrogen dans le mélange de gaz il ya un excédent net par essaimage dans le même état à la température ambiante et en l'absence complète d'un champ magnétique. Dans de bonnes conditions, cette hyperpolarisation peuvent être transmises à d'autres noyaux et utilisé pour stimuler considérablement la force de leur IRM / RMN signaux de plusieurs ordres de grandeur.

Pines, Bouchard et Burt ont trouvé un moyen de l'utilisation accrue du gaz parahydrogen en combinaison avec du gaz propylène heterogenized et d'un catalyseur afin de parvenir à une forte IRM / RMN signal à partir d'échantillons dans la phase gazeuse, la seule chose qui a été fait avant d'utiliser les gaz rares hyperpolarisés Et de la polarisation des équipements coûteux. Un mélange de propylène et parahydrogen gaz enrichi (environ 40 pour cent parahydrogen) sont acheminés par l'intermédiaire d'un réacteur cellule contenant un catalyseur (catalyseur de Wilkinson) qui a été immobilisé sur une modification de gel de silice. Comme le mélange de gaz parahydrogen renforcée passe au-dessus du catalyseur, l'hydrogénation a lieu. Ce produit spin polarized gaz propane qui est transférée à l'IRM / RMN aimant. Le catalyseur de libre-hyperpolarisés gaz propane peuvent ensuite être utilisés pour améliorer l'IRM / RMN signaux.

"Le renforcement de l'IRM / RMN sensibilité fournis par parahydrogen polarisation induite nous permet de surmonter le problème de la faible sensibilité thermique polarisée en phase gazeuse IRM / RMN», explique Bouchard. "C'est la raison pour laquelle nous sommes en mesure d'obtenir de tels haute résolution spatiale des images IRM dans la phase gazeuse. Utilisation thermique conventionnel polarisé IRM / RMN signaux, ce serait une tâche impossible."

Cela a été un défi persistant pour les scientifiques et les ingénieurs qui étudient les catalyseurs à mettre en corrélation avec les régions actives de catalyseur dans la morphologie globale catalyseurs hétérogènes lits. Il a aussi été un défi pour surveiller l'plusieurs réactions qui se déroulent dans les lits. Cela a entravé la conception des réacteurs catalytiques qui donnent des performances optimales.

Burt dit, «Notre IRM / RMN technique offre la possibilité de mesurer directement la dépendance spatiale de la conversion et permet de faire un contrôle de la réalité sur toutes les simulations ou les hypothèses utilisées pour concevoir un réacteur catalytique. Design peut donc devenir un processus itératif qui converge sur Une performance optimale. "

Les coûts de la recherche et le développement de nouveaux catalyseurs peuvent être très onéreux, et les parahydrogen-enhanced MRI / RMN technique développée par Pines, Bouchard, Burt et de leurs collaborateurs a le potentiel de réduire significativement ces coûts, ainsi que d'accélérer considérablement le processus. Non seulement elle permettra de futures études de catalyseurs potentiels à réaliser sur une plus petite échelle et plus économique, il est aussi bien adapté pour la "chimie verte", la nouvelle approche qui vise à maximiser la productivité et le rendement tout en réduisant les coûts, les montants de Réactifs et des déchets produits.

Pines, Bouchard et Burt dire leur technique est prête à être utilisée dans l'étude des réactions d'hydrogénation maintenant. Dans l'avenir, ils voudraient étendre ses applications au-delà de l'hydrogénation d'étudier d'autres types de catalyseurs et des réactions chimiques.

Bouchard explique, «Nous avons également des idées nouvelles sur la façon d'obtenir des résultats de haute résolution des cartes de température et de pression du catalyseur qui va transmettre des informations sur l'énergétique de la réaction chimique et mécanique des fluides de transport au cours de la réaction.

Burt dit, "Ce sera très excitant parce qu'il existe peu de techniques existantes qui fournissent ces informations en dehors de simulations. Et pour microreactors, il n'existe tout simplement pas concurrencer méthode pour l'étude de telles réactions en phase gazeuse, à ce niveau de détail et la résolution spatiale."

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Article adapté par Medical News Today de l'original du communiqué de presse.
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Ce travail a été appuyé par le Directeur du Bureau de la Science, Office of Basic Energy Sciences, Sciences and Materials Engineering Division of the US Department of Energy.

Berkeley Lab is a US Department of Energy laboratoire national situé à Berkeley, en Californie. Il mène des recherches scientifiques non classés et est géré par l'Université de Californie. Visitez notre site Internet au http://www.lbl.gov/

Source: Lynn Yarris
DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory

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