3D打印在催化劑行業(yè)的應(yīng)用及前景

隨著大眾環(huán)保意識(shí)的提高和可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入，人們對(duì)化工生產(chǎn)領(lǐng)域中廣泛使用的催化劑及其載體的環(huán)保性產(chǎn)生了極大的關(guān)注,。催化劑功能的發(fā)揮不僅受到材料微觀及介觀結(jié)構(gòu)的影響,，也受到其宏觀結(jié)構(gòu)的影響，為了更好的發(fā)揮催化劑的作用,，催化劑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜,，傳統(tǒng)制備過(guò)程復(fù)雜，制備周期較長(zhǎng),。3D打印技術(shù)的發(fā)展提供了一種可以直接制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的方法,，利用其在控形、控性方面的優(yōu)勢(shì),，為催化劑及其載體的制備提供了一種新的可能,。

高分子材料是3D打印中最廣泛使用的一種材料，作為催化劑使用時(shí),，一般通過(guò)混雜活性成分,、或者把活性成分加載在3D打印制件的表面，這種制備方法適用于多種3D打印技術(shù),，但是由于高分子材料的特性,，所制備的催化劑系統(tǒng)不能使用在高溫環(huán)境中；此外,，也有研究者采用3D打印高分子材料作為整體式催化劑的模版,，然后在模版內(nèi)填充三氧化二鋁漿料，通過(guò)高溫?zé)�結(jié)去除樹(shù)脂,，最后加載活性成分,，制備出整體式催化劑，如圖1所示,。

圖1 3D打印模版制備整體式催化劑過(guò)程(a,3D模型設(shè)計(jì),，b, 3D打印催化劑模版，c, 陶瓷膠體的灌注,、燒結(jié)及活性成分的加載,，d, 最終尺寸與模版對(duì)比)

由于碳材料具有較大的比表面積以及良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，是一種理想的催化劑系統(tǒng)材料。最近有研究者采用3D打印制備碳材料作為整體式催化劑,，如圖2所示,，采用酚醛樹(shù)脂作為原材料，通過(guò)DIW技術(shù)（Direct Ink Writing）完成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體式催化劑的載體的制備,，然后采用高溫碳化和活性成分鈀（Pd）的加載,，實(shí)驗(yàn)證明，所制備的催化劑具有較大的比表面積和反應(yīng)效率,。

圖2 3D打印制備Pd/C整體式催化劑示意圖及所其微觀結(jié)構(gòu)[2]

此外,，金屬及其氧化物的3D打印技術(shù)也為催化劑的制備提供了新的方法，SLM可用于直接制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的催化劑載體,，然后通過(guò)活性成分的負(fù)載完成催化劑的制備,，也有研究者采用凝膠擠出的方法制備整體式催化劑，C. R. Tubío, J. Azuaje, L. Escalante等采用配制Al2O3粉末與Cu(NO3)2 溶液的凝膠,，采用3DP的方式制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的催化劑載體,，然后在高溫下進(jìn)行燒結(jié)去除其中的有機(jī)成分并將活性成分銅暴露出來(lái)，從而獲得良好的反應(yīng)活性,。

圖3 3D打印制備Cu(NO3)2催化劑

除了文中提到的采用3D打印制備高分子催化劑系統(tǒng),、碳材料催化劑、金屬及其氧化物的催化劑,，還有很多其他材料可通過(guò)3D打印的方法來(lái)制備催化劑系統(tǒng),，比如說(shuō)沸石類多孔材料,、石墨烯類材料以及其他材料等,。同時(shí)，F(xiàn)DM,、SLS,、DIW、以及SL等多種3D打印技術(shù)在制備催化劑方面各具有其優(yōu)勢(shì)和前景,，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和可用于3D打印技術(shù)的材料的不斷拓展,，其在催化劑領(lǐng)域的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

作者：晏夢(mèng)雪,，田小永
來(lái)源：3D打印分會(huì)中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)