3D打印動態(tài)催化反應器-提高多相催化反應效率的新途徑

來源：MaterialsViews

隨著世界能源與環(huán)境問題的日益突出，人們對傳統(tǒng)的化學合成工業(yè)提出了越來越高的要求。開發(fā)新技術用以提高反應效率，減少分離過程帶來的能耗和污染是目前亟待解決的重要問題。在化工生產(chǎn)中，固體催化劑參與的多相催化反應是一種非常重要的反應過程，被廣泛的用以生產(chǎn)各種有機化學品。在多相催化反應中，分子水平的反應過程和分子群水平的物質傳遞過程都是圍繞著多相界面進行的。因此，對界面間的物質擴散和反應過程進行協(xié)同控制，就可以實現(xiàn)反應在宏觀水平上的高效轉化。

△傳統(tǒng)催化反應器

在傳統(tǒng)的多相反應中，反應器和催化劑是分立的兩個部分，反應器主要起到承載作用。同時，反應器的結構和催化劑的填裝方式會對流體的運動產(chǎn)生影響，從而影響物質傳遞與擴散。催化劑尺寸或裝填不均會導致反應器內(nèi)的溫度，濃度和壓力分布不均，從而產(chǎn)生多種副產(chǎn)物。而后人們發(fā)展了結構催化劑，將催化劑制成具有多通道的反應器，在降低物質傳輸壓力的同時增大了反應物與催化劑的接觸面積。最近，隨著3D打印技術的興起，研究人員利用3D打印技術開發(fā)了多種結構催化劑，應用于不同的反應領域。然而，目前的研究主要局限于對打印的靜態(tài)反應器的催化活性進行研究，流體在反應器內(nèi)仍然依靠外界壓力驅動進行被動混合，反應器與流動的反應物間缺乏充分的相互作用。這與傳統(tǒng)結構催化劑無本質區(qū)別，并沒有充分體現(xiàn)3D打印技術制造高性能結構的先進性。同時，即使采用3D打印技術，微小的反應通道依然難以制造，成功率低，且易被阻塞。作為傳統(tǒng)的流體混合方式，攪拌反應器可以有效的消除反應體系中的溫度和濃度梯度，降低反應的不均勻性。但是攪拌式反應器中的催化劑回收一直是難以解決的挑戰(zhàn)。

大連理工大學化工學院陶勝洋課題組針對這些問題，利用3D打印技術和界面化學修飾手段制備了同時具有界面微結構和催化活性的動態(tài)攪拌式催化反應器。一方面研究者利用數(shù)字建模、計算結構力學和流體力學手段對攪拌器結構進行設計分析，使其能夠在界面形成具有較強漩渦動能的區(qū)域，強化物質的傳遞和擴散。另一方面，研究者設計合成可聚離子液體對攪拌器進行化學修飾，賦予其離子交換性能，金屬納米粒子可通過離子交換和還原被負載到攪拌器上，從而得到具有催化活性的界面。該攪拌器將擴散與反應過程充分耦合在一起，極大提高了多相反應的催化效率。該研究團隊利用此思路設計制造的具有棱柱界面結構和Pd催化活性的攪拌器，對硝基苯酚還原、Suzuki偶聯(lián)和染料污水脫色反應都起到很好的催化效果，熱過濾實驗顯示催化劑泄漏極低，并且在反應后攪拌器可以方便的從反應液中直接提拉分離出來，克服了常規(guī)攪拌反應中催化劑難以分離的問題。

動態(tài)催化攪拌器將數(shù)字設計與制造、有限元計算分析和界面化學修飾相結合，體現(xiàn)了現(xiàn)代數(shù)字信息技術與傳統(tǒng)化學分子設計方法的高度交叉合作。這一過程簡單可控、應用方便。并且3D打印技術也有將制造物體快速放大的優(yōu)勢，有望將這一催化反應器尺寸放大到滿足實際生產(chǎn)的尺度。相信將3D打印與界面化學修飾相結合會成為制造用于多相催化反應器件的有力手段。


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