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，人們對化工生產領域中廣泛使用的催化劑及其載體的環(huán)保性產生了極大的關注。催化劑功能的發(fā)揮不僅受到材料微觀及介觀結構的影響，也受到其宏觀結構的影響，為了更好的發(fā)揮催化劑的作用，催化劑系統(tǒng)的結構一般比較復雜，傳統(tǒng)制備過程復雜，制備周期較長。3D打印技術的發(fā)展提供了一種可以直接制備具有復雜結構零件的方法，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，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，然后在模版內填充三氧化二鋁漿料，通過高溫燒結去除樹脂，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（Direct Ink Writing）完成具有復雜結構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構[2]

此外，金屬及其氧化物的3D打印技術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構的催化劑載體，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構的催化劑載體，然后在高溫下進行燒結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打印技術的不斷發(fā)展和可用于3D打印技術的材料的不斷拓展，其在催化劑領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