中科院蘭州化物所：3D打印結構化陶瓷催化器件催化性能研究進展
功能陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕和高硬度等特性，在航天航空、生物醫學和精細化工等領域受到廣泛關注。然而，功能陶瓷由于其特殊的高熔點和高脆性等，無法采用傳統加工技術制備出復雜、高精度結構。因此，結合增材制造技術快速構筑復雜結構陶瓷，實現其快速精密加工制造，并通過結構設計改善其性能具有重要意義。
中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室3D打印摩擦器件組聯合精細石油化工中間體國家工程研究中心工業催化課題組，在3D打印結構化陶瓷催化器件研究方面獲新進展。相關研究成果以“Catalytic oxidation properties of 3D printed ceramics with Bouligand structures”為題發表在Chemical Engineering Journal上。
3D打印結合仿生設計，提高催化活性
前期，研究人員將處理后的甘蔗與金屬有機框架ZIF-67@SCF CFR相結合，制備了一種新型的具有自然分層結構的連續流催化生物反應器，并將其用于處理有機污染物4-硝基苯酚（Materials Today Communications, 2022, 33, 104907）。
近期，該團隊以快速高效制備復雜結構功能化陶瓷為目標，受生物體布利岡結構啟發，利用無機粘結劑為陶瓷骨架，采用3D打印技術制備了仿生布利岡結構的不同螺距角螺旋陶瓷催化器件（螺距角(α)分別為30°、45°、60°、90°）和布利岡螺旋狀催化陶瓷，用于甲苯蒸汽的催化性能研究。結果表明，功能陶瓷催化器件在200°C下獲得的甲苯轉化率分別為92.51%、92.46%、90.67%、78.51%、95.52%，證明了不同結構設計對催化效率的影響具有重要意義。
圖1. 仿螳螂蝦布利岡結構的3D打印Pt/Al2O3陶瓷催化裝置及其制備過程
研究人員采用DIW 3D打印技術，制備了Pt修飾Al2O3陶瓷催化器件，其靈感來自于仿生螳螂蝦指節布利岡結構進行角度轉換和氣流方向改變。采用Al2O3粉末、PMMA顆粒和無機AP粘結劑構建穩定、低收縮的陶瓷催化載體。用陶瓷煅燒去除PMMA顆粒，為負載Pt提供錨點。與微孔結構相比，通過去除PMMA來制備更大的孔道以負載更多的催化劑，可替代復雜介孔結構的制備。
圖2. 3D打印偏移角度Al2O3陶瓷載體的整體結構和截面
研究人員利用3D打印技術在結構設計方面的優越性，進一步實現了各種角度的角度偏移陶瓷器件的制備。3D打印器件的結構由0 °~180 °螺旋結構逐層制作，垂直向上角度分別為30°、45°、60°、90°，每30°偏移一次。在橫截面上，不同旋轉角度的絲狀結構留下不同的孔隙，仿生布利岡螺旋狀結構中更密集的絲狀結構允許更長的氣體停留時間和湍流，從而提高催化活性。
圖3. 3D打印功能陶瓷對甲苯的催化性能研究
研究人員測試了甲苯蒸汽在不同旋轉角度的仿生布利岡結構陶瓷催化反應器中的氧化情況和陶瓷催化反應器循環使用5次后的催化活性。相比粉末催化劑，整體式的陶瓷催化反應器不僅具有優良的催化活性，而且具有優良的重復使用性和更好的水穩定性。此外，研究人員通過流體力學分析驗證了不同的結構中流體通過的靜態壓和湍流動能分布，輔助驗證了結構設計對催化性能的影響。
3D打印與仿生設計
© 3D科學谷白皮書
該工作證明了3D打印結合仿生布利岡結構在創造性設計螺旋狀催化陶瓷方面的優越性，對未來仿生催化材料與器件的發展具有重要意義。
來源：中科院蘭州化物所
論文引用信息：
Xin Xu, Bo He, Yixian Wang, Yuntai Xi, Desheng Liu, Zhongying Ji, Lichun Bai, Fang Dong, Zhibin Lu, Xiaolong Wang,Catalytic oxidation properties of 3D printed ceramics with Bouligand structures,Chemical Engineering Journal,Volume 474,2023,145504,ISSN 1385-8947,
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145504.
(責任編輯：admin)
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