​3D打印與焊接相結(jié)合制造高性能沸石

來(lái)源：增材之光

中國(guó)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(lái)利用“理想的結(jié)構(gòu)”，這在'通過3D打印和沸石焊接制造機(jī)械堅(jiān)固的無(wú)粘合劑結(jié)構(gòu)的沸石：高級(jí)二氧化碳捕集的配置。'

作者關(guān)注的是，由于機(jī)械性能問題以及吸收問題和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)挑戰(zhàn)，3D打印根本不夠。在這項(xiàng)研究中，他們?cè)噲D構(gòu)建堅(jiān)固的沸石整料，用于實(shí)際應(yīng)用。在常規(guī)工作中，沸石晶體通常包括在較小的結(jié)構(gòu)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(jié)晶化和其他類型的加工使用自支撐。

3D打印的機(jī)械強(qiáng)度無(wú)粘結(jié)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(jì)算機(jī)控制的精心設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生ZM-P。III）高溫煅燒處理以獲得ZM-WB。IV）水熱結(jié)晶以產(chǎn)生ZM-BF。

由于機(jī)械強(qiáng)度，以前的3D打印沸石受到限制：

“機(jī)械強(qiáng)度，活性沸石的質(zhì)量負(fù)載和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)之間的權(quán)衡仍然是3D打印結(jié)構(gòu)化沸石的實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)挑戰(zhàn)性障礙。因此，非常希望開發(fā)一種簡(jiǎn)便的策略來(lái)制造3D打印的無(wú)粘結(jié)劑的分級(jí)結(jié)構(gòu)沸石，其具有融合機(jī)械強(qiáng)度，快速質(zhì)量擴(kuò)散和高沸石負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)，用于實(shí)際的壓力/溫度變化吸附。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)概念驗(yàn)證研究，開發(fā)了無(wú)粘合劑的NaX沸石整料（ZM-BF），具有以下特點(diǎn)：
•強(qiáng)大的機(jī)械完整性
•層次結(jié)構(gòu)
•出色的二氧化碳吸附能力
3D打印和傳統(tǒng)水熱結(jié)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(jí)應(yīng)用程序

為了加強(qiáng)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(zhuǎn)化為A型沸石�！睂⒒旌衔飶氐讛嚢�2小時(shí)，然后進(jìn)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(gè)固定在3D打印機(jī)上的噴嘴，通過一層一層地打印出預(yù)先設(shè)計(jì)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(jī)械穩(wěn)定性，并通過去除HPMC基質(zhì)形成大量大孔。”

3D打印的沸石整料的物理和微觀結(jié)構(gòu)特征。a）NaX沸石粉末，ZM-WB和ZM-BF的PXRD圖案。注：標(biāo)有黑點(diǎn)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(cè)定法測(cè)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(yīng)力 - 應(yīng)變曲線（e）和壓縮強(qiáng)度（f）。

隨著埃洛石納米管的引入，研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)ⅰ胺�(wěn)健 - 界面HNT橋”與晶體成功地結(jié)合起來(lái)，使它們成為一個(gè)連接的鍵網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其加強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性的目標(biāo)。

“動(dòng)態(tài)突破性試驗(yàn)表明，ZM-BF比商業(yè)基準(zhǔn)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(wú)粘合劑沸石整體是第一種結(jié)構(gòu)沸石，完全克服了機(jī)械強(qiáng)度、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和吸附能力之間的權(quán)衡�！毖芯咳藛T總結(jié)說。

“我們相信當(dāng)前研究的'3D打印和沸石焊接'策略可以為設(shè)計(jì)和制造其他無(wú)粘結(jié)劑的分級(jí)結(jié)構(gòu)沸石提供通用途徑，這可以開啟更先進(jìn)的3D打印沸石應(yīng)用，不僅在吸附方面，而且在其他領(lǐng)域，如催化和傳感。”

世界各地的3D打印用戶繼續(xù)在創(chuàng)新過程中應(yīng)對(duì)機(jī)械性能下降的挑戰(zhàn)，許多用戶在各種不同的項(xiàng)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(shù)。

a,b）ZM-BF的數(shù)碼照片，具有可定制的幾何形狀和強(qiáng)大的機(jī)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(cè)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。