微流控反应器中的无机反应主要涉及胶体无机纳米材料的合成 。如，无水微颗粒，包括各种各样的有机和无机微球(例如，硅弹性体，金属氧化物，金属有机框架)，与有机分子相比，无机纳米材料具有广泛的理化和形态特性，这些特性受反应条件的强烈影响。因此，无机材料的性能通常基于光学、电子和催化性能，可以通过调整微流控工艺参数（如温度、混合时间和停留（反应）时间）来控制。微流控反应器提供的对合成参数的精确控制导致了高性能无机纳米材料的合成，包括贵金属和金属氧化物纳米颗粒，金属有机框架，二氧化硅纳米颗粒和各种量子约束纳米结构。微波处理可以减少特定合成的时间，例如金纳米颗粒(AuNPs)，从几个小时减少到几分钟。Wrocław University of Science and Technology提出了一种利用微波能量提高化学反应速率的微流控结构[1]。
该反应器设计用于控制微波能量，比标准装置具有更高的精度。因此，可以研究微波辐照对化学反应速率的影响。
设计思路是：
电抗器由一条被接地金属化包围的传输线组成。为了有效地将微波能量传递给被测流体，采用了匹配网络，并通过数值方法对匹配网络进行了优化。该单片器件采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术制备。这种材料具有优异的微波性能，耐多种化学物质和高温。详细描述了器件的制造过程。对微波参数进行了测量，并讨论了仿真结果与实验结果的差异。最后，在示例性合成中证明了所提装置的实用性。
所提出的用于微波处理的单片器件采用LTCC技术(DuPont 951系统，DuPont, Wilmington, DE, USA)制造。这些层的示意图如图1所示。最重要的是中间部分(第5层)，它由用于ufl(超小型表面安装同轴连接器)连接器安装的焊盘、两个匹配网络和一条带状传输线组成。传输线嵌入在微流体通道中(4-7层)。信号线置于200µm厚、400µm宽的陶瓷带内。该条带悬浮在反应堆的中间。在反应堆运行期间，传输线被流体包围。接地平面放置在陶瓷条的下面(第3层)和上面(第8层)，距离陶瓷条213微米(一条杜邦951PX胶带，杜邦，威尔明顿，DE, USA)。它们通过垂直金属化(第4-7层)连接。金属化还覆盖了通道的侧壁，微波能量通过通道传输，因此LTCC模块的其余部分被电磁屏蔽。此外，为了提高结构的力学性能，在接地面的上方(1-2层)和下方(9-10层)分别放置了三层951PX胶带。据我们所知，这种结构是第一次出现。它的优点是可以精确地控制传递到反应器的微波能量，因为，与处理流体的介电常数无关，电场总是以一种允许微波能量通过它的方式穿过微流体通道。结构被设计为在工业科学医疗(ISM) 2.4 GHz频段运行，使用高频电磁场仿真(HFSS)软件(版本:14,ANSYS Inc.， Canonsburg, PA, USA)进行CAD设计。![]()
图1：构建微流控微波反应器的低温共烧陶瓷(LTCC)层设计每次处理后，将反应器样品与参考样品进行比较。然而，吸光度测量并没有显示微波辐照后立即有任何显著的变化。我们在不同的反应阶段重复了这一步骤，结果仍然相同。然而，我们观察到，几个小时后，微波处理的样品与通过典型合成方法获得的样品不同(见图2)。比较了它们的吸光度，结果如图3所示。![]()
Figure 2. Samples after treatment in the microfluidic reactor and not treated.
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Figure 3. Absorbance of samples with and without microwave treatment.
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Figure 4. HRTEM images and size distributions of gold nanoparticles obtained: (a) with and; (b) without microwave treatment.
我们可以观察到，在微波照射下，样品的吸光度峰向更短的波长移动，约为8 nm，其亮度提高了8%。这表明微波对反应有影响。在微波存在的情况下，形成了更小尺寸的纳米颗粒，根据Mie理论，这导致峰值向较短波长偏移。采用高分辨率透射电镜检测金胶体(图4);图像显示，在这两种情况下，形成了带有轻微圆角的六边形金纳米颗粒。此外，在微波存在下，形成了其他形状的场纳米粒子，其平均尺寸约为44±9 nm(图4a)。在标准合成过程中，没有微波场，形成直径为76±11nm的颗粒(图4b)。制备利用螺旋流反相反应器连续微流控合成锆基UiO-67金属有机骨架(MOFs)，特别是锆基的，具有广泛的潜在应用，如催化和分离。然而，传统上只能在长批次反应中合成，这导致该过程昂贵并且限制了可用的反应控制量，从而导致产品批次之间的潜在变化，例如粒度分布[2]。
微流体允许批反应以增强的质量/热传递进行，与螺旋流动逆变器(CFIR)设置缩小停留时间分布，这是控制颗粒大小和结晶度的关键。
在这项工作中，使用微流控CFIR连续合成了锆基MOF UiO-67，该产品可以在30分钟内形成，这是传统批量加热时间24小时的一小部分。
微流控合成的UiO-67也更小，粒径分布更窄(≈200 nm至≈400 nm)，而不是批量产品(~500 nm至超过3µm)。
CFIR的设计最初需要使用AutoCAD软件形成基于骨架的结构，因此选择二维线框视图作为首选的视觉风格。绘制骨架结构(螺旋直径:5mm，节距:3mm，总长度:约3.16 m)![]()
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首先，需要在CFIR装置周围缠绕油管。要做到这一点，最简单的方法是切割一段长度略长于CFIR所需的管道，以便轻松连接输入/输出。在这种情况下，CFIR所需的数量为3.146米，因此3.5米被削减，每边多余约18厘米。然后将油管推过拐角处的一个入口孔(图5a)，然后将其完全包裹在CFIR周围，然后再推过拐角处的另一个孔。管材应紧紧地包裹在CFIR周围，确保管材的长度是正确的，同时也允许它容易移动。![]()
Fig. 5. (A) The CFIR with tubing pressed through the corner inlet, (B) the CFIR with the tubing wrapped around 1 side, and (C) the fully completed CFIR with the tubing now pressed through the second corner hole.
下一步是将进油管连接到注射器上。连接端口由3部分组成:一个卡箍，一个无法兰配件和一个注射器螺纹luer适配器(图6)。首先，管子通过无法兰配件插入，螺纹面向进口。然后油管也通过卡箍插入，与平的一面面向进气口。这是然后紧紧拧进螺纹luer适配器，确保油管，并确保没有泄漏。然后将连接器简单地拧到注射器的前面。如图6所示。![]()
Fig. 6. (A) Tubing with fitting and ferrule attached (B) Photo showing the syringe, luer adaptor and tubing with the ferrule now tightly attached. (C) Luer adaptor now screwed onto the end of the tubing. (D) Tubing now connected to the syringe.
一旦设置好，CFIR单元可以放置在Duran 900毫升结晶盘中，内部放置一个搅拌棒，放在磁力搅拌热板的顶部。然后将硅油倒在上面，以覆盖反应堆，确保均匀加热。然后将出口管放置在选定的收集容器中，在这种情况下是100毫升杜兰烧瓶。使用这个注射器，将反应混合物抽出。当加入溶液时，注射器中会有一些空气，因此在连接到系统之前需要将其清除。一旦连接到系统，将小搅拌板放在注射器上方，使用夹紧支架。一个简单的方案如图7所示。打开搅拌板，并将其设置为1500转/分钟左右，在那里，酒吧将不断旋转在一个位置，与较高的速度导致酒吧周围的注射器移动不规律。一旦设置好，泵就可以启动了。![]()
图7：Scheme showing the general setup for the slurry delivery system, with the grey rectangle representing the magnetic stirrer plate and the smaller grey cuboid representing the magnetic stirrer bar.
此外，微流控合成方法可实现工艺敏感材料的可扩展生产。微流控策略通过工艺强化、实验室系统的可扩展转移以及提供与能源和环境应用相关的高性能先进功能材料的潜力。
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盘点 | 微通道流动化学技术有望突破的应用领域
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1.Macioszczyk J, Rac-Rumijowska O, Słobodzian P, Teterycz H, Malecha K 2017. Microfluidical microwave reactor for synthesis of gold nanoparticles. Micromachines 8:11318
2.Bailey T, Pinto M, Hondow N, Wu K-J 2021. Continuous microfluidic synthesis of zirconium-based UiO-67 using a coiled flow invertor reactor. MethodsX 8:101246
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