西北工業(yè)大學梅輝教授團隊：面向先進光催化的3D打印組裝技術(shù),！

來源：焊接科學

3D打印為制造用于制氫,、化學合成和污染物降解的半導(dǎo)體光催化劑系統(tǒng)提供了優(yōu)化途徑,。3D光催化劑正在從擠出成型和3D打印發(fā)展到3D打印透明陶瓷,。經(jīng)過對3D打印光催化劑的不懈探索,，制造從納米尺度,、微米尺度到宏觀尺度的精確尺寸的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)被認為是光催化劑的重要方法,，并引起了極大的科學興趣。

為了記錄3D打印光催化材料和系統(tǒng)的最新進展,，近日,，西北工業(yè)大學材料學院梅輝教授團隊聯(lián)合西安工程大學、香港城市大學在《Materials Today Nano》（中科院1區(qū),，Top,，影響因子10.3）發(fā)表最新綜述文章“3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis“，討論了傳統(tǒng)和最新的3D打印技術(shù)及其應(yīng)用,，特別是整體式光催化劑,、LED反應(yīng)器和微通道反應(yīng)器。梅輝教授為通訊作者,。

該綜述強調(diào)了目前的主要成就以及剩余研究的挑戰(zhàn)和目標,。這項工作的重點是具有特征尺寸的幾何和拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計和光催化性能,。總結(jié)了各種3D打印方法,，包括它們的材料要求,、優(yōu)點、缺點和典型用途,。

圖1.“光觸媒-3D打印技術(shù)-3D打印結(jié)構(gòu)”的系統(tǒng)圖譜,。

圖2. (a)用LED燈照射的微通道光微反應(yīng)器；（b）通過分子滲透,，液體在水凝膠中的非連接通道之間傳輸。

圖3. 通過SLA方法生產(chǎn)高透光率的鎂鋁尖晶石透明陶瓷：(a)尖晶石陶瓷的3D打印和后熱處理過程示意圖,。(b) 尖晶石納米粒子的 TEM 圖像和粒度分布（插圖）,。（c）可打印尖晶石陶瓷漿料的流變行為，插圖顯示具有良好自保持能力的尖晶石陶瓷漿料的照片,。(d–f) 印刷尖晶石透明原型的照片：透鏡陣列 (d),、菲涅爾透鏡 (e)、開爾文細胞微晶格 (f),。

結(jié)論與展望

在這篇綜述中,，作者討論了傳統(tǒng)3D打印技術(shù)和透明3D打印陶瓷及其在光催化反應(yīng)器和材料中的應(yīng)用，強調(diào)了它們的關(guān)鍵成就以及剩余的研究挑戰(zhàn)和差距,。3D打印是整體式光催化劑,、LED反應(yīng)器和微通道反應(yīng)器最有希望的方法。根據(jù)3D反應(yīng)器的形狀,，進一步開發(fā)仍需要更多研究：

(1) 對于整體式光反應(yīng)器,，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計算機設(shè)計是提高其比表面積的關(guān)鍵。為了提高光反應(yīng)器的光效率,，高透明陶瓷和石英玻璃是構(gòu)建自支撐整體式光催化劑的熱點,。然而，打印的YAG和Al2O3結(jié)構(gòu)不適合形成具有高比表面積的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以吸收更多的光,，打印的MgAl2O4的尺寸對于工業(yè)用途而言非常小,，并且印刷的石英玻璃缺乏韌性。

(2) 對于LED反應(yīng)器來說,，計算機設(shè)計的LED分布和光路會影響附著光催化的效率,。目前LED分布的設(shè)計還很原始。為了使光觸媒獲得合適的亮度并充分利用LED燈,，需要討論LED燈的分布,。此外，還需要討論光路,。在合適的位置添加鏡子可以提高光觸媒的效率,。另外,，光纖是LED反應(yīng)器的潛在器件。

(3) 對于微通道來說,，通道圖案和光輻照度是關(guān)鍵因素,。需要注意光活性材料的設(shè)計及其在支撐結(jié)構(gòu)上的沉積。

如圖4所示,，目標應(yīng)用程序和區(qū)分功能可以識別3D打印方法的類型,。需要注意的領(lǐng)域包括目標幾何形狀（例如多層或獨立式）、基板類型,、需要控制不同長度尺度的特征以及所需的組裝分辨率,。需要計算拓撲優(yōu)化方法來通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來設(shè)計光分布、光路和透射率,。放大的適用性,、再現(xiàn)性和印刷成本也是重要因素。由于其他光催化劑載體不透明且失光嚴重,，透明陶瓷和石英玻璃是制造進一步3D光催化劑的理想材料,；通過允許低光照吸收，它們將引領(lǐng)制造3D打印光催化劑的新趨勢,。通過調(diào)整光催化劑和反應(yīng)器的幾何形狀和尺寸,，優(yōu)化了光子和質(zhì)量到活性點的傳輸。SLA和SLM是未來光催化應(yīng)用的有前途的技術(shù),，因為它們的復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有高分辨率,、剛性和韌性，可以優(yōu)化質(zhì)量和光利用的活性位點,。

圖4. 目標應(yīng)用和區(qū)分功能可以識別3D打印方法的類型,。

通訊作者

梅輝，西北工業(yè)大學材料學院教授,，博導(dǎo),，國家萬人計劃領(lǐng)軍人才，科技部創(chuàng)新推進計劃人才,、國家高層次青年人才,、教育部新世紀優(yōu)秀人才，主要開展陶瓷復(fù)材相關(guān)的吸波超材料,、能源催化環(huán)保,，超潤滑、油水分離/超疏水,、3D/4D打印,、缺陷檢測等研究，近年來主持或完成國家自然科學基金重點/面上、國家高技術(shù)863和國家重大專項等10余項國家級科研項目,。獲國家專利18項,，著作3部，教材1部,，皇家墨爾本大學Adv compe mater英文專著1部,。第一作者發(fā)表AFM、ACS Nano ,、JMCA,、Carbon等期刊學術(shù)論文159篇，發(fā)表的單篇論文獲得20萬元頂級論文獎勵,。擔任美國陶瓷協(xié)會會員,，中國復(fù)材學會陶瓷基分會秘書長。國際期刊AM,、AFM,、ACS Nano、Small,、Carbon、Corros Sci,、Compos Sci Technol,、J Am Ceram Soc等通訊審稿人。擔任16次國際會議分會主席/組織者,，4次大會秘書,，25次特邀報告。

論文引用

Bai S, Mei H, Zhang M, et al. 3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis[J]. Materials Today Nano, 2023: 100385. https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2023.100385