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B023 用组合化学法发现和优化催化剂的研究 戴琪秀 肖海原 李文生 周小平 (湖南大学化学化工学院湖南长沙 410082) 组合化学( Combinatorial Chemistry 或 High throughput Experimental Chemistry)是化学 科学研究中发展起来的一种高速研究方法，它可以把发现和优化材料及优化反应条件的速度 提高百倍以上，近年来在国际上受到广泛的重视。在药物开发研究中[1,2]，组合化学的应用 已有十多年的历史，但在固体材料及催化化学研究中，它大约始于 1994 年，最早出现的报 道是 Lawrence Berkeley Lab. 的 Peter G. Schultz 组于 1995 年发表在 Science 上的文章 A combinatorial approach to materials discovery [3] 。他们把组合化学用于超导材料的研究，首次 合成了一个高密度的超导材料“library ”（library densities of 10,000 sites per square inch ）。在 这同一个研究组申请的专利中可以发现，他们也把组合化学用在了巨磁材料的研究中[4]。 在此同一时期，以 W. H. Weinberg 教授为首的 Symyx 研究组在 Nature 上报道了组合化学 在发光材料（luminescent materials ）领域的研究[5]。组合化学在催化领域的应用研究报道见 于 Nature （1998）[6]，来自 UCLA 的 Senkan 组，在此之前的 1994 年国际上首先从事催 化组合化学研究的公司 Symyx Technologies Inc. 已经成立并以Schultz 等人的专利为基础开 展了工作[4]。这份专利实际上是材料化学领域组合化学的标志性大作（其中的条文涉及催 化材料部分）。 从催化材料本身来讲，它在国民经济中占有近 25% 的比例，催化剂现在已被广泛应用 于燃料及其它化学工业，为人类物质生活水平的提高起到了主导作用，据统计 90% 以上的 化学品制造业使用催化过程，利用催化过程生产的化学品在 7000 种以上，产值在$3 trillion 以上[7]。在此领域开展组合化学的研究，快速开发催化新材料就显得非常重要。由于催化 在国民经济中具有如此重要的地位，并且市场对新产品的需求和市场竞争的压力给化学工业 的研究开发部门带来了巨大的压力，它要求在研发过程中同时具有创造性、高成功速度、缩 短研究开发时间、低的研究和生产费用。在催化剂研究中，理论知识还不足以满足预测催化 剂性能的需求，需要实际测试大量具有不同组成和用各种不同方法制备的催化剂，以及在不 同的反应条件下测试催化性能，以便找出最佳的催化剂组成、制备方法、和反应条件，这一 过程仍然是一个 “trial-and-error ”的过程。组合化学正好可以满足这一要求，它的特点是 可以同时合成成百上千具有不同组成的样品，并对所希望的化学性质进行同时测定，以及对 反应条件进行快速优化。它对调制多相催化剂效率特别高，因为在催化剂的研究中，传统的 方法是制备单个的催化剂，通过造粒、称量、装载、然后才能进行反应测试；而组合化学的 研究方法是大批量样品的现场合成、同时反应、同时进行产物分析。它可以同时处理的催化 剂数量可在 100 个以上，有时可以使上千个催化反应同时进行。在催化，尤其是多相催化 的研究中，传统的方法是单个序列式的处理模式；而组合化学的研究方法是直接把成百个催 化剂现场合成在反应器模块上进行评价，这样的批处理模式可以把工作效率提高百倍以上。 在催化领域开展组合化学工作比其它领域如超导、电磁、及 luminescence/ fluorescence 材料领域的工作更加富有挑战性。这主要包括以下几方面：1） 由于组合化学处理的是成百 上千的样品，首先必须建立催化剂的现场合成方法，同时在设计反应器时必须考虑便于在反 应器模块上现场合成催化剂； 2 ）反应器的流量控制系统必须保证各通道间的流量差别在允 许范围内 （如为釜式反应则无流量控制问题）；3 ）高温高压下反应器内的密封问题；4 ） 反应器内存在大面积温度控制