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3D打印在催化剂行业的应用及前景

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随着大众环保意识的提高和可持续发展理念的不断深入,人们对化工生产领域中广泛使用的催化剂及其载体的环保性产生了极大的关注。催化剂功能的发挥不仅受到材料微观及介观结构的影响,也受到其宏观结构的影响,为了更好的发挥催化剂的作用,催化剂系统的结构一般比较复杂,传统制备过程复杂,制备周期较长。3D打印技术的发展提供了一种可以直接制备具有复杂结构零件的方法,利用其在控形、控性方面的优势,为催化剂及其载体的制备提供了一种新的可能。
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高分子材料是3D打印中最广泛使用的一种材料,作为催化剂使用时,一般通过混杂活性成分、或者把活性成分加载在3D打印制件的表面,这种制备方法适用于多种3D打印技术,但是由于高分子材料的特性,所制备的催化剂系统不能使用在高温环境中;此外,也有研究者采用3D打印高分子材料作为整体式催化剂的模版,然后在模版内填充三氧化二铝浆料,通过高温烧结去除树脂,最后加载活性成分,制备出整体式催化剂,如图1所示。
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图1 3D打印模版制备整体式催化剂过程(a,3D模型设计,b, 3D打印催化剂模版,c, 陶瓷胶体的灌注、烧结及活性成分的加载,d, 最终尺寸与模版对比)

由于碳材料具有较大的比表面积以及良好的导热导电性能,是一种理想的催化剂系统材料。最近有研究者采用3D打印制备碳材料作为整体式催化剂,如图2所示,采用酚醛树脂作为原材料,通过DIW技术(Direct Ink Writing)完成具有复杂结构的整体式催化剂的载体的制备,然后采用高温碳化和活性成分钯(Pd)的加载,实验证明,所制备的催化剂具有较大的比表面积和反应效率。
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图2 3D打印制备Pd/C整体式催化剂示意图及所其微观结构[2]

此外,金属及其氧化物的3D打印技术也为催化剂的制备提供了新的方法,SLM可用于直接制备具有复杂结构的催化剂载体,然后通过活性成分的负载完成催化剂的制备,也有研究者采用凝胶挤出的方法制备整体式催化剂,C. R. Tubío, J. Azuaje, L. Escalante等采用配制Al2O3粉末与Cu(NO3)2 溶液的凝胶,采用3DP的方式制备具有复杂结构的催化剂载体,然后在高温下进行烧结去除其中的有机成分并将活性成分铜暴露出来,从而获得良好的反应活性。
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图3 3D打印制备Cu(NO3)2催化剂
除了文中提到的采用3D打印制备高分子催化剂系统、碳材料催化剂、金属及其氧化物的催化剂,还有很多其他材料可通过3D打印的方法来制备催化剂系统,比如说沸石类多孔材料、石墨烯类材料以及其他材料等。同时,FDM、SLS、DIW、以及SL等多种3D打印技术在制备催化剂方面各具有其优势和前景,随着3D打印技术的不断发展和可用于3D打印技术的材料的不断拓展,其在催化剂领域的应用必将越来越广泛。

作者:晏梦雪,田小永
来源:3D打印分会中国机械工程学会

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