微型全自动催化剂评价系统：高通量实验与人工智能的融合

      在催化材料研发与工业应用领域，催化剂的性能直接决定反应效率、产物经济性与环境友好性。传统催化剂评价模式受制于设备体积庞大、样品消耗量大、实验周期冗长、人工操作误差显著等痛点，难以满足现代催化研究对高效筛选、精准优化的需求。微型全自动催化剂评价系统通过融合微流控微型化技术、高通量实验设计与人工智能算法，构建“全流程自动化+高并行筛选+智能决策优化"的一体化评价体系，实现了催化剂评价从“经验驱动"向“数据智能驱动"的范式革新，为加速催化材料研发进程、推动工业催化工艺升级提供了核心技术支撑。

一、系统核心架构：高通量与智能化的协同设计

      微型全自动催化剂评价系统以“微型化反应基底、高通量并行操控、人工智能赋能"为核心设计理念，构建了由硬件执行层、数据采集层、智能决策层与应用输出层组成的四层协同架构，各层级无缝衔接，实现从样品制备到评价结果输出的全流程无人干预与智能优化。

（一）硬件执行层：微型化与高通量的硬件基石

      硬件执行层是系统实现微型化与高通量实验的核心载体，集成微流控反应模块、高精度流体操控单元与并行反应阵列，从物理维度突破传统评价设备的效率瓶颈。核心组件包括阵列式微流控反应芯片、高精度微量注射泵、多通道温度压力控制系统与自动化样品处理机械臂。其中，微流控反应芯片通过光刻蚀刻技术构建数十至数百微米级别的精密通道网络，将单次反应体积压缩至纳升-微升级别，催化剂用量降至毫克级甚至微克级，较传统装置资源消耗降低90%以上，大幅减少贵重样品的实验成本；阵列式设计可集成数十至数百个独立反应单元，配合多通道机械臂，实现单次实验对数十种甚至上百种催化剂样品的同步评价，单日筛选通量较传统实验室提升10-100倍。例如，基于该架构的光催化评价系统可将每日筛选通量提升至10,000次，反应时间较传统系统缩短4300倍，迈入超高通量时代。

（二）数据采集层：实时精准的多维度数据支撑

      数据采集层作为智能决策的基础，通过集成高灵敏度检测技术与多参数监测模块，实现催化反应全流程数据的实时捕获与精准解析。系统采用微流控-质谱联用技术作为核心检测方案，反应产物可通过微流控芯片直接接入质谱检测单元，实现秒级定性定量分析，检测限低至纳摩尔级，同时支持多组分同步监测，避免传统检测方法的滞后性与信息遗漏问题。此外，系统还可集成原位红外、拉曼光谱等表征模块，同步获取催化剂活性数据与结构演变信息，为揭示催化构效关系提供全维度数据支撑。数据采集过程通过标准化协议自动完成，避免人工记录与传输误差，确保数据的可靠性与可追溯性。

（三）智能决策层：人工智能驱动的优化核心

      智能决策层是系统实现“全自动+精准化"评价的核心大脑，集成机器学习算法、智能实验设计与动态优化模型，破解高通量实验中的数据解析与条件优化难题。该层级通过TensorFlow、LabVIEW等平台构建算法体系，核心实现三大功能：一是智能实验设计，基于历史数据与预设目标（如高转化率、高选择性），通过强化学习算法自动生成正交实验方案，减少盲目实验，将实验周期缩短50%以上；二是非稳态数据解析，利用随机森林、神经网络等回归模型，从高通量检测产生的动态峰状信号中快速提取有效信息，预测稳态反应结果，将实验循环时间从传统的32秒缩短至8.5秒；三是动态参数优化，实时联动数据采集层与硬件执行层，根据反应数据动态调整温度、压力、流速等关键参数，确保反应始终处于状态。天津大学团队开发的自适应极限学习机（AELM）框架，在氮氧化物减排催化剂评价中，实现了小样本条件下转化率预测准确率达93.3%，预测速度较传统方法提升87%，单次预测仅需0.2-0.3秒。

（四）应用输出层：多场景适配的价值转化接口

      应用输出层面向科研研发与工业应用两大核心场景，提供标准化数据输出、可视化分析与工艺对接功能。科研场景下，系统可自动生成催化剂活性曲线、选择性变化规律、稳定性衰减趋势等标准化报告，支持数据导出与二次分析，助力科研人员快速挖掘催化构效关系；工业场景下，系统可通过工业通信协议与生产装置对接，将实验室筛选优化的催化剂配方与反应参数直接赋能工业生产，同时实时监测工业工况下催化剂性能衰减情况，为催化剂更换与再生提供精准预警，实现“实验室研发-工业应用"的无缝衔接。

二、核心技术融合：高通量实验与AI的协同突破

      系统的核心竞争力源于高通量实验技术与人工智能算法的深度融合，通过三大关键技术突破，破解传统催化剂评价的效率与精度瓶颈，实现“高通量筛选-大数据解析-精准优化"的闭环赋能。

（一）微流控-高通量并行反应技术

      突破传统单一反应模式，开发阵列式微流控并行反应技术，实现多催化剂、多条件的同步评价。系统通过高精度流体分配模块，可在2分钟内完成数十组反应物的精准配比与同步进样，配合分区温控技术，实现不同反应单元的独立温度调控（范围覆盖-15℃至400℃）与压力控制（可达3000 psi），适配从常温常压到高温高压的多样化催化反应场景。例如，在平台式压力筛选反应器（DSPR）的支撑下，系统可单次运行96组加压反应，大幅提升工业催化候选材料的筛选效率。同时，微流控技术的高效传质传热特性，使反应体系温度、浓度分布均匀，减少传统装置因传质传热滞后导致的评价偏差，提升实验数据的可靠性。

（二）AI驱动的智能实验设计与数据解析

      构建“数据采集-模型训练-实验优化"的闭环智能体系，解决高通量实验中的数据冗余与优化低效问题。在实验设计阶段，基于迁移学习算法利用现有催化数据库预训练模型，结合少量前期实验数据，快速生成实验方案，避免“暴力筛选"带来的资源浪费；在数据解析阶段，通过多输出回归模型与特征融合算法，精准捕捉温度、压力、催化剂组成等多参数与催化性能的非线性关系，甚至可实现催化剂活性位点的间接预测；在优化阶段，采用自适应优化算法，动态调整反应参数组合，快速锁定反应条件。例如，在光催化（2+2）环加成反应筛选中，该技术实现了12,000种反应条件的高通量筛选，成功发现高收率参数组合，研发周期较传统方法缩短60%。

（三）全流程自动化与安全联锁技术

      基于PLC与边缘计算技术，实现从样品装填、反应调控、产物检测到数据处理的全流程自动化控制，无需人工干预。系统配备自动化粉末分配模块与可加热钢针液体分配单元，支持数十至数百个样品的连续处理与追踪，避免交叉污染；内置多层安全联锁机制，通过实时监测温度、压力、流速等参数，当出现超温、超压等异常情况时，自动触发泄压、停机、清洗等应急措施，保障实验安全。例如，在连续数天的催化剂稳定性评价实验中，系统可自动定时采集数据、调整反应条件，无需科研人员值守，大幅降低劳动强度。

三、典型应用场景：赋能多领域催化研究与工业升级

      微型全自动催化剂评价系统凭借高通量、低消耗、智能化的核心优势，已在光催化材料开发、能源环境催化、工业催化剂筛选等多个领域实现深度应用，展现出显著的技术价值与产业赋能潜力。

（一）光催化材料研发

      在有机合成、污染物降解等光催化研究领域，系统通过高效光催化微反应器与高通量筛选能力，快速探索催化剂组成、光照条件与反应性能的关联。采用液芯波导（LCW）技术的光催化微反应器，可使光通量达3.5×10⁴ mW/cm²，是传统系统的1万倍，配合AI智能优化光照强度与反应时间，大幅提升光催化效率筛选精度，为高效光催化材料的结构设计提供数据支撑。

（二）能源与环境催化

      在CO₂加氢、生物质热解、氮氧化物减排等能源环境相关催化领域，系统可模拟复杂反应气氛与工况条件，快速评价催化剂性能。例如，在氮氧化物（NOx）减排选择性催化还原（SCR）系统开发中，通过AI模型精准预测催化剂转化率，为柴油发动机清洁化提供高效解决方案；在CO₂加氢反应中，通过多参数同步调控与智能优化，快速锁定H₂/CO₂比例与反应温度，提升产物选择性。

（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，系统可每日完成数百种样品的稳定性测试与性能对比，结合原位表征数据揭示构效关系。通过与工业生产系统的对接，将实验室优化的催化剂配方与反应参数直接应用于工业装置，缩短工业化周期，同时实时监测工业工况下催化剂衰减情况，为催化剂更换与再生提供精准指导，提升工业生产效率与经济性。

四、技术挑战与发展展望

      尽管微型全自动催化剂评价系统已实现显著技术突破，但在核心部件国产化、数据标准化、复杂体系适配性等方面仍面临挑战：当前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%；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；对于气-固-液三相反应，微通道易发生堵塞，现有系统流体操控策略仍需优化。

      未来，随着技术的持续迭代，系统将向三大方向发展：一是核心部件国产化与成本控制，通过自主研发突破关键部件技术壁垒，降低系统应用门槛；二是多技术深度集成，构建“微流控+原位多谱学+AI"一体化平台，同步获取催化剂结构与性能数据，深化构效关系研究；三是开源共享平台建设，推动跨机构数据共享与标准化实验流程落地，加速催化研究协同创新；四是拓展高温高压等工况适配能力，满足航空燃料催化、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系统通过高通量实验与人工智能的深度融合，打破了传统催化剂评价的效率与精度瓶颈，实现了评价过程的微型化、自动化与智能化。该系统不仅大幅缩短催化材料研发周期、降低实验成本，更推动了催化研究从“经验驱动"向“数据智能驱动"的转型。随着核心技术的不断突破与产业化应用的持续深化，该系统将在能源、环境、化工等多个领域发挥核心支撑作用，为推动绿色化学发展与工业制造升级注入强劲动力。

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；