3D打印動態(tài)催化反應(yīng)器-提高多相催化反應(yīng)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(xué)合成工業(yè)提出了越來越高的要求。開發(fā)新技術(shù)用以提高反應(yīng)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(yīng)是一種非常重要的反應(yīng)過程，被廣泛的用以生產(chǎn)各種有機(jī)化學(xué)品。在多相催化反應(yīng)中，分子水平的反應(yīng)過程和分子群水平的物質(zhì)傳遞過程都是圍繞著多相界面進(jìn)行的。因此，對界面間的物質(zhì)擴(kuò)散和反應(yīng)過程進(jìn)行協(xié)同控制，就可以實現(xiàn)反應(yīng)在宏觀水平上的高效轉(zhuǎn)化。

△傳統(tǒng)催化反應(yīng)器

在傳統(tǒng)的多相反應(yīng)中，反應(yīng)器和催化劑是分立的兩個部分，反應(yīng)器主要起到承載作用。同時，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)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(zhì)傳遞與擴(kuò)散。催化劑尺寸或裝填不均會導(dǎo)致反應(yīng)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(jié)構(gòu)催化劑，將催化劑制成具有多通道的反應(yīng)器，在降低物質(zhì)傳輸壓力的同時增大了反應(yīng)物與催化劑的接觸面積。最近，隨著3D打印技術(shù)的興起，研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)催化劑，應(yīng)用于不同的反應(yīng)領(lǐng)域。然而，目前的研究主要局限于對打印的靜態(tài)反應(yīng)器的催化活性進(jìn)行研究，流體在反應(yīng)器內(nèi)仍然依靠外界壓力驅(qū)動進(jìn)行被動混合，反應(yīng)器與流動的反應(yīng)物間缺乏充分的相互作用。這與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)催化劑無本質(zhì)區(qū)別，并沒有充分體現(xiàn)3D打印技術(shù)制造高性能結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性。同時，即使采用3D打印技術(shù)，微小的反應(yīng)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(yīng)器可以有效的消除反應(yīng)體系中的溫度和濃度梯度，降低反應(yīng)的不均勻性。但是攪拌式反應(yīng)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(xué)化工學(xué)院陶勝洋課題組針對這些問題，利用3D打印技術(shù)和界面化學(xué)修飾手段制備了同時具有界面微結(jié)構(gòu)和催化活性的動態(tài)攪拌式催化反應(yīng)器。一方面研究者利用數(shù)字建模、計算結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)手段對攪拌器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析，使其能夠在界面形成具有較強(qiáng)漩渦動能的區(qū)域，強(qiáng)化物質(zhì)的傳遞和擴(kuò)散。另一方面，研究者設(shè)計合成可聚離子液體對攪拌器進(jìn)行化學(xué)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(fù)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(kuò)散與反應(yīng)過程充分耦合在一起，極大提高了多相反應(yīng)的催化效率。該研究團(tuán)隊利用此思路設(shè)計制造的具有棱柱界面結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)后攪拌器可以方便的從反應(yīng)液中直接提拉分離出來，克服了常規(guī)攪拌反應(yīng)中催化劑難以分離的問題。

動態(tài)催化攪拌器將數(shù)字設(shè)計與制造、有限元計算分析和界面化學(xué)修飾相結(jié)合，體現(xiàn)了現(xiàn)代數(shù)字信息技術(shù)與傳統(tǒng)化學(xué)分子設(shè)計方法的高度交叉合作。這一過程簡單可控、應(yīng)用方便。并且3D打印技術(shù)也有將制造物體快速放大的優(yōu)勢，有望將這一催化反應(yīng)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(xué)修飾相結(jié)合會成為制造用于多相催化反應(yīng)器件的有力手段。


來源：MaterialsViews