西北工業大學梅輝教授團隊：面向先進光催化的3D打印組裝技術！
時間：2023-10-31 11:14 來源：焊接科學 作者：admin 閱讀：次
3D打印為制造用于制氫、化學合成和污染物降解的半導體光催化劑系統提供了優化途徑。3D光催化劑正在從擠出成型和3D打印發展到3D打印透明陶瓷。經過對3D打印光催化劑的不懈探索，制造從納米尺度、微米尺度到宏觀尺度的精確尺寸的復雜3D結構被認為是光催化劑的重要方法，并引起了極大的科學興趣。
為了記錄3D打印光催化材料和系統的最新進展，近日，西北工業大學材料學院梅輝教授團隊聯合西安工程大學、香港城市大學在《Materials Today Nano》（中科院1區，Top，影響因子10.3）發表最新綜述文章“3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis“，討論了傳統和最新的3D打印技術及其應用，特別是整體式光催化劑、LED反應器和微通道反應器。梅輝教授為通訊作者。該綜述強調了目前的主要成就以及剩余研究的挑戰和目標。這項工作的重點是具有特征尺寸的幾何和拓撲優化結構的設計和光催化性能。總結了各種3D打印方法，包括它們的材料要求、優點、缺點和典型用途。
結論與展望
在這篇綜述中，作者討論了傳統3D打印技術和透明3D打印陶瓷及其在光催化反應器和材料中的應用，強調了它們的關鍵成就以及剩余的研究挑戰和差距。3D打印是整體式光催化劑、LED反應器和微通道反應器最有希望的方法。根據3D反應器的形狀，進一步開發仍需要更多研究：
(1) 對于整體式光反應器，復雜結構的計算機設計是提高其比表面積的關鍵。為了提高光反應器的光效率，高透明陶瓷和石英玻璃是構建自支撐整體式光催化劑的熱點。然而，打印的YAG和Al2O3結構不適合形成具有高比表面積的復雜結構以吸收更多的光，打印的MgAl2O4的尺寸對于工業用途而言非常小，并且印刷的石英玻璃缺乏韌性。
(2) 對于LED反應器來說，計算機設計的LED分布和光路會影響附著光催化的效率。目前LED分布的設計還很原始。為了使光觸媒獲得合適的亮度并充分利用LED燈，需要討論LED燈的分布。此外，還需要討論光路。在合適的位置添加鏡子可以提高光觸媒的效率。另外，光纖是LED反應器的潛在器件。
(3) 對于微通道來說，通道圖案和光輻照度是關鍵因素。需要注意光活性材料的設計及其在支撐結構上的沉積。
如圖4所示，目標應用程序和區分功能可以識別3D打印方法的類型。需要注意的領域包括目標幾何形狀（例如多層或獨立式）、基板類型、需要控制不同長度尺度的特征以及所需的組裝分辨率。需要計算拓撲優化方法來通過復雜的結構來設計光分布、光路和透射率。放大的適用性、再現性和印刷成本也是重要因素。由于其他光催化劑載體不透明且失光嚴重，透明陶瓷和石英玻璃是制造進一步3D光催化劑的理想材料；通過允許低光照吸收，它們將引領制造3D打印光催化劑的新趨勢。通過調整光催化劑和反應器的幾何形狀和尺寸，優化了光子和質量到活性點的傳輸。SLA和SLM是未來光催化應用的有前途的技術，因為它們的復雜產品結構具有高分辨率、剛性和韌性，可以優化質量和光利用的活性位點。
通訊作者
梅輝，西北工業大學材料學院教授，博導，國家萬人計劃領軍人才，科技部創新推進計劃人才、國家高層次青年人才、教育部新世紀優秀人才，主要開展陶瓷復材相關的吸波超材料、能源催化環保，超潤滑、油水分離/超疏水、3D/4D打印、缺陷檢測等研究，近年來主持或完成國家自然科學基金重點/面上、國家高技術863和國家重大專項等10余項國家級科研項目。獲國家專利18項，著作3部，教材1部，皇家墨爾本大學Adv compe mater英文專著1部。第一作者發表AFM、ACS Nano 、JMCA、Carbon等期刊學術論文159篇，發表的單篇論文獲得20萬元頂級論文獎勵。擔任美國陶瓷協會會員，中國復材學會陶瓷基分會秘書長。國際期刊AM、AFM、ACS Nano、Small、Carbon、Corros Sci、Compos Sci Technol、J Am Ceram Soc等通訊審稿人。擔任16次國際會議分會主席/組織者，4次大會秘書，25次特邀報告。
論文引用
Bai S, Mei H, Zhang M, et al. 3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis[J]. Materials Today Nano, 2023: 100385. https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2023.100385
為了記錄3D打印光催化材料和系統的最新進展，近日，西北工業大學材料學院梅輝教授團隊聯合西安工程大學、香港城市大學在《Materials Today Nano》（中科院1區，Top，影響因子10.3）發表最新綜述文章“3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis“，討論了傳統和最新的3D打印技術及其應用，特別是整體式光催化劑、LED反應器和微通道反應器。梅輝教授為通訊作者。該綜述強調了目前的主要成就以及剩余研究的挑戰和目標。這項工作的重點是具有特征尺寸的幾何和拓撲優化結構的設計和光催化性能。總結了各種3D打印方法，包括它們的材料要求、優點、缺點和典型用途。
圖1.“光觸媒-3D打印技術-3D打印結構”的系統圖譜。
圖2. (a)用LED燈照射的微通道光微反應器；（b）通過分子滲透，液體在水凝膠中的非連接通道之間傳輸。
圖3.
通過SLA方法生產高透光率的鎂鋁尖晶石透明陶瓷：(a)尖晶石陶瓷的3D打印和后熱處理過程示意圖。(b) 尖晶石納米粒子的 TEM
圖像和粒度分布（插圖）。（c）可打印尖晶石陶瓷漿料的流變行為，插圖顯示具有良好自保持能力的尖晶石陶瓷漿料的照片。(d–f)
印刷尖晶石透明原型的照片：透鏡陣列 (d)、菲涅爾透鏡 (e)、開爾文細胞微晶格 (f)。
結論與展望
在這篇綜述中，作者討論了傳統3D打印技術和透明3D打印陶瓷及其在光催化反應器和材料中的應用，強調了它們的關鍵成就以及剩余的研究挑戰和差距。3D打印是整體式光催化劑、LED反應器和微通道反應器最有希望的方法。根據3D反應器的形狀，進一步開發仍需要更多研究：
(1) 對于整體式光反應器，復雜結構的計算機設計是提高其比表面積的關鍵。為了提高光反應器的光效率，高透明陶瓷和石英玻璃是構建自支撐整體式光催化劑的熱點。然而，打印的YAG和Al2O3結構不適合形成具有高比表面積的復雜結構以吸收更多的光，打印的MgAl2O4的尺寸對于工業用途而言非常小，并且印刷的石英玻璃缺乏韌性。
(2) 對于LED反應器來說，計算機設計的LED分布和光路會影響附著光催化的效率。目前LED分布的設計還很原始。為了使光觸媒獲得合適的亮度并充分利用LED燈，需要討論LED燈的分布。此外，還需要討論光路。在合適的位置添加鏡子可以提高光觸媒的效率。另外，光纖是LED反應器的潛在器件。
(3) 對于微通道來說，通道圖案和光輻照度是關鍵因素。需要注意光活性材料的設計及其在支撐結構上的沉積。
如圖4所示，目標應用程序和區分功能可以識別3D打印方法的類型。需要注意的領域包括目標幾何形狀（例如多層或獨立式）、基板類型、需要控制不同長度尺度的特征以及所需的組裝分辨率。需要計算拓撲優化方法來通過復雜的結構來設計光分布、光路和透射率。放大的適用性、再現性和印刷成本也是重要因素。由于其他光催化劑載體不透明且失光嚴重，透明陶瓷和石英玻璃是制造進一步3D光催化劑的理想材料；通過允許低光照吸收，它們將引領制造3D打印光催化劑的新趨勢。通過調整光催化劑和反應器的幾何形狀和尺寸，優化了光子和質量到活性點的傳輸。SLA和SLM是未來光催化應用的有前途的技術，因為它們的復雜產品結構具有高分辨率、剛性和韌性，可以優化質量和光利用的活性位點。
圖4. 目標應用和區分功能可以識別3D打印方法的類型。
通訊作者
梅輝，西北工業大學材料學院教授，博導，國家萬人計劃領軍人才，科技部創新推進計劃人才、國家高層次青年人才、教育部新世紀優秀人才，主要開展陶瓷復材相關的吸波超材料、能源催化環保，超潤滑、油水分離/超疏水、3D/4D打印、缺陷檢測等研究，近年來主持或完成國家自然科學基金重點/面上、國家高技術863和國家重大專項等10余項國家級科研項目。獲國家專利18項，著作3部，教材1部，皇家墨爾本大學Adv compe mater英文專著1部。第一作者發表AFM、ACS Nano 、JMCA、Carbon等期刊學術論文159篇，發表的單篇論文獲得20萬元頂級論文獎勵。擔任美國陶瓷協會會員，中國復材學會陶瓷基分會秘書長。國際期刊AM、AFM、ACS Nano、Small、Carbon、Corros Sci、Compos Sci Technol、J Am Ceram Soc等通訊審稿人。擔任16次國際會議分會主席/組織者，4次大會秘書，25次特邀報告。
論文引用
Bai S, Mei H, Zhang M, et al. 3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis[J]. Materials Today Nano, 2023: 100385. https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2023.100385
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