高通量实验的利器：微型全自动催化剂评价技术综述

一、技术演进：从传统评价到智能高通量的跨越

      催化研究的效率瓶颈长期受制于传统评价方法的局限 —— 设备体积庞大、样品消耗量达克级至毫升级、单组实验周期长达数小时至数天，且人工操作误差显著影响数据可靠性。20 世纪 80 年代末高通量筛选（HTS）技术兴起后，催化评价开始向自动化转型，但早期系统仍存在通量不足、检测滞后等问题。

     近年来，微型全自动催化剂评价技术实现了突破性发展，其核心演进逻辑体现为三大融合：微流控技术的微型化突破，将反应体积压缩至纳升 - 微升级别，传质传热效率提升 1-2 个数量级；自动化系统的集成化发展，实现从样品制备到数据输出的全流程无人干预；人工智能的深度赋能，突破非稳态数据解析与实验条件优化的瓶颈。浙江大学开发的光催化评价系统更是将筛选通量从传统实验室的每日不足 10 次提升至 10,000 次，反应时间缩短 4300 倍，标志着该技术进入超高通量时代。

二、核心技术架构：微型化与智能化的协同设计

（一）基础支撑单元：微流控反应系统

        微流控芯片是技术核心，通过光刻、蚀刻等微加工技术构建高精度通道网络（数十至数百微米），实现多相流体的精准操控。其关键创新包括：

高效反应模块：采用液芯波导（LCW）技术的光催化微反应器，通过激光多次全反射使光通量达 3.5×10⁴ mW/cm²，是传统系统的 1 万倍，配合套管式温控结构可将反应温度稳定在 25±2℃；

低耗设计：反应体积仅为传统装置的 1/1000-1/100，催化剂用量降至毫克级甚至微克级，显著降低贵重材料研究成本；

并行扩展：阵列式微反应器可集成数十至数百个独立单元，支持多催化剂、多条件同步评价。

（二）检测与控制体系：实时性与精准性的双重保障

高灵敏检测技术：主流采用微流控 - 质谱联用方案，实现产物的秒级定性定量分析，检测限低至纳摩尔级，同时支持多组分同步监测。部分系统进一步集成原位红外、拉曼光谱等表征手段，实时追踪催化剂结构演变；

全自动控制系统：基于 LabVIEW 等平台开发的程序可精准调控温度、压力、流速等参数，配合选择阀与注射泵组成的液体处理模块，2 分钟内即可完成毫升级反应物的自动混合，且支持 12,000 种以上反应条件的正交筛选。

（三）智能赋能模块：AI 驱动的效率跃升

      人工智能技术解决了高通量筛选中的两大核心难题：

非稳态数据解析：通过随机森林、神经网络等 10 种回归模型，从动态峰状信号中预测稳态吸光度，将实验循环时间从 32 秒缩短至 8.5 秒；

智能实验设计：基于历史数据训练的预测模型可指导催化剂配方优化，强化学习算法能动态调整反应参数，减少盲目实验。

三、典型应用场景：多领域的催化研发加速

（一）光催化材料开发

在 (2+2) 环加成等有机合成反应中，微型全自动系统实现了 12,000 种条件的高通量筛选，成功发现高收率反应参数组合。其秒级反应能力与 AI 预测结合，为光催化剂结构优化提供了大数据支撑。

（二）能源与环境催化

在生物质热解领域，系统可模拟复杂气氛与温度变化，快速评价催化剂对生物油产率的影响，助力可持续能源工艺开发。在 CO₂加氢等反应中，通过多参数同步调控，实现催化剂活性与选择性的高效优化。

（三）工业催化剂筛选

针对 MOFs 材料、金属掺杂催化剂等工业候选材料，并行反应模块可每日完成数百种样品的稳定性测试，结合原位表征数据揭示构效关系，显著缩短工业化周期。

四、现存挑战与未来趋势

（一）当前技术瓶颈

设备成本与国产化：高级液体处理机器人、微型质谱仪等核心部件依赖进口，单套系统成本常超百万，国产化率不足 30%；

数据标准化缺失：不同实验室的芯片设计、检测参数存在差异，导致数据难以跨平台对比，假阳性问题影响结果可靠性；

复杂体系适配性：对于气 - 固 - 液三相反应，微通道易发生堵塞，现有系统仍需优化流体操控策略。

（二）前沿发展方向

超微型与单分子水平：结合纳米技术开发单细胞级反应单元，实现催化剂活性位点的单分子表征；

多技术深度集成：构建 “微流控 + 原位多谱学 + AI" 一体化平台，如将 XRD 与质谱联用，同步获取结构与性能数据；

开源共享平台建设：参考 iChemFoundry 平台模式，构建跨机构数据共享网络，推动标准化实验流程落地；

条件拓展：开发高温高压微反应器，适配航空燃料催化、页岩气转化等工业场景需求。

五、结论

       微型全自动催化剂评价技术通过 “微型化反应 - 自动化操控 - 智能化解析" 的三位一体创新，改变了传统催化研究的范式。其在光催化、能源转化等领域的应用已展现出显著的研发加速效应，尽管面临设备成本与标准化等挑战，但随着 AI 与微流控技术的持续融合，该技术必将成为推动催化材料创新与工业升级的核心引擎，为绿色化学、新能源等重大战略领域提供关键技术支撑。

产品展示

       SSC-MACE900微型全自动催化剂评价系统（Micro-automated Catalyst Evaluation System，Automated Fixed-Bed System），实现了固定床反应的全自动化操作，连续流反应。 

产品优势：

1.自动压力控制；

2.自动流量控制；

3.气液混合汽化；

4.反应炉恒温区100mm；

5.全组分和气液分离组分检测自动切换；

6.快速自动建压； 

7.多层报警安全联动，本质安全化设计；