3D打印在催化劑行業(yè)的應用及前景

隨著大眾環(huán)保意識的提高和可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入，人們對化工生產(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)一般比較復雜，傳統(tǒng)制備過程復雜，制備周期較長。3D打印技術(shù)的發(fā)展提供了一種可以直接制備具有復雜結(jié)構(gòu)零件的方法，利用其在控形、控性方面的優(yōu)勢，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，一般通過混雜活性成分、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，通過高溫燒結(jié)去除樹脂，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程(a,3D模型設計，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, 最終尺寸與模版對比)

由于碳材料具有較大的比表面積以及良好的導熱導電性能，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，采用酚醛樹脂作為原材料，通過DIW技術(shù)（Direct Ink Writing）完成具有復雜結(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，實驗證明，所制備的催化劑具有較大的比表面積和反應效率。

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雜結(jié)構(gòu)的催化劑載體，然后通過活性成分的負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的方式制備具有復雜結(jié)構(gòu)的催化劑載體，然后在高溫下進行燒結(jié)去除其中的有機成分并將活性成分銅暴露出來，從而獲得良好的反應活性。

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3D打印的方法來制備催化劑系統(tǒng)，比如說沸石類多孔材料、石墨烯類材料以及其他材料等。同時，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)域的應用必將越來越廣泛。

作者：晏夢雪，田小永
來源：3D打印分會中國機械工程學會