​3D打印與焊接相結合制造高性能沸石

來源：增材之光

中國的研究人員正在探索使用稱為沸石的礦物，希望通過3D打印和焊接來利用“理想的結構”，這在'通過3D打印和沸石焊接制造機械堅固的無粘合劑結構的沸石：高級二氧化碳捕集的配置。'

作者關注的是，由于機械性能問題以及吸收問題和擴散動力學挑戰(zhàn)，3D打印根本不夠。在這項研究中，他們試圖構建堅固的沸石整料，用于實際應用。在常規(guī)工作中，沸石晶體通常包括在較小的結構中，例如粒料，用于工業(yè)制造。然而，由于潛在的問題，例如傳熱緩慢，壓力大幅下降以及其他功能障礙，通常需要優(yōu)化配置。傳統(tǒng)的“策略”通常包括將沸石粉末沉積在泡沫，合金或甚至堇青石上;或者，通過冷凍鑄造、模板化、結晶化和其他類型的加工使用自支撐。

3D打印的機械強度無粘結劑沸石整料的制造過程示意圖：I）通過混合“第1部分”和“第2部分”（包括NaX粉末，HNT，HPMC，膠體二氧化硅）獲得具有最佳粘度的均勻打印油墨，和去離子水。II）含有通過3D打印系統(tǒng)中的噴嘴擠出的油墨的沸石遵循由計算機控制的精心設計的運動，產生ZM-P。III）高溫煅燒處理以獲得ZM-WB。IV）水熱結晶以產生ZM-BF。

由于機械強度，以前的3D打印沸石受到限制：

“機械強度，活性沸石的質量負載和擴散動力學之間的權衡仍然是3D打印結構化沸石的實際應用的一個挑戰(zhàn)性障礙。因此，非常希望開發(fā)一種簡便的策略來制造3D打印的無粘結劑的分級結構沸石，其具有融合機械強度，快速質量擴散和高沸石負載的優(yōu)點，用于實際的壓力/溫度變化吸附。

研究團隊創(chuàng)建了一個概念驗證研究，開發(fā)了無粘合劑的NaX沸石整料（ZM-BF），具有以下特點：
•強大的機械完整性
•層次結構
•出色的二氧化碳吸附能力
3D打印和傳統(tǒng)水熱結晶成功融合，在以下方面形成高性能沸石：
•氣體分離
•催化劑
•傳感器
•其他高級應用程序

為了加強3D打印的沸石整料，研究人員在研究中使用了含有14wt％硝酸鹽的打印油墨。

研究人員說：“添加適量的硅膠作為額外的硅源是為了抑制HNT轉化為A型沸石?！睂⒒旌衔飶氐讛嚢?小時，然后進行超聲波處理，以確保均勻性并避免出現(xiàn)氣泡。利用上述油墨，采用一個固定在3D打印機上的噴嘴，通過一層一層地打印出預先設計好的幾何圖形。然后將制備好的ZM-P冷凍干燥以防止部分收縮和塌陷，然后在650°C下煅燒以提高機械穩(wěn)定性，并通過去除HPMC基質形成大量大孔?！?br />

3D打印的沸石整料的物理和微觀結構特征。a）NaX沸石粉末，ZM-WB和ZM-BF的PXRD圖案。注：標有黑點的峰是沸石NaA的特征衍射峰。b）NaX粉末，ZM-WB和ZM-BF的N2吸附 - 解吸等溫線。c）源自DFT方法的NaX粉末，ZM-WB和ZM-BF的PSD曲線。d）通過壓汞孔隙率測定法測定的ZM-WB和ZM-BF的PSD曲線。e，f）用各種打印油墨增材制造的3D打印沸石整料的代表性應力 - 應變曲線（e）和壓縮強度（f）。

隨著埃洛石納米管的引入，研究團隊能夠將“穩(wěn)健 - 界面HNT橋”與晶體成功地結合起來，使它們成為一個連接的鍵網(wǎng)絡，從而進一步實現(xiàn)其加強機械穩(wěn)定性的目標。

“動態(tài)突破性試驗表明，ZM-BF比商業(yè)基準NAX分子篩具有優(yōu)越性，可選擇性地從煙氣、天然氣和沼氣中捕獲二氧化碳。據(jù)我們所知，這種3D打印無粘合劑沸石整體是第一種結構沸石，完全克服了機械強度、擴散動力學和吸附能力之間的權衡?！毖芯咳藛T總結說。

“我們相信當前研究的'3D打印和沸石焊接'策略可以為設計和制造其他無粘結劑的分級結構沸石提供通用途徑，這可以開啟更先進的3D打印沸石應用，不僅在吸附方面，而且在其他領域，如催化和傳感?！?br />
世界各地的3D打印用戶繼續(xù)在創(chuàng)新過程中應對機械性能下降的挑戰(zhàn)，許多用戶在各種不同的項目中都取得了成功，從檢查多孔性到研究生物相容性，再到使用熱處理等不同技術。

a,b）ZM-BF的數(shù)碼照片，具有可定制的幾何形狀和強大的機械穩(wěn)定性。c）ZM-P，ZM-WB和ZM-BF的數(shù)碼照片。d）代表性ZM-BF的低放大率SEM圖像：頂視圖，側視圖和橫截面圖。e-h）ZM-WB（e，g）和ZM-BF（f，h）的橫截面的高放大率SEM圖像和TEM圖像。i）沸石焊接程序的示意圖。