發(fā)動機中甲烷低溫氧化活性增強的3D打印催化轉(zhuǎn)化器

供稿人：霍存寶 田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

催化轉(zhuǎn)化器由陶瓷或金屬基底、催化活性組分組成，廣泛應(yīng)用于各種環(huán)保應(yīng)用中，如CO和碳氫化合物氧化、消除揮發(fā)性有機化合物（VOCs）。在汽車工業(yè)中，用于廢氣處理的傳統(tǒng)催化劑載體具有簡單的整體蜂窩結(jié)構(gòu)。整體式載體的孔道尺寸和結(jié)構(gòu)對整體性能起著重要的作用，具有低壓降、良好的傳熱和傳質(zhì)速率。3D打印提供的多功能性大大增加了通道結(jié)構(gòu)的范圍和復(fù)雜性，這是使用傳統(tǒng)擠壓方法無法獲得的。

因而，曼徹斯特城市大學(xué)的研究人員采用直寫成型（DIW）工藝制備了具有非線性通道結(jié)構(gòu)的催化轉(zhuǎn)化器，并模擬了雙燃料發(fā)動機中的氣流流動，并進行了甲烷氧化實驗。以6:1的比例將水和乙二醇（固體重量的20%）倒入堇青石粉末中混合制備陶瓷漿料，之后DIW 3D打印整體式載體。然后將沸石、γ-Al2O3等載體材料和貴金屬Pd、Pt通過水洗方式負載在堇青石載體上，制備催化劑。

圖1. 3D打印陶瓷基板的結(jié)構(gòu)和橫截面圖

該設(shè)計在相鄰層之間使用了簡單的重復(fù)角度偏移。所有3D打印整體式載體均具有機械穩(wěn)定性，并且在使用復(fù)合催化劑進行涂層后，顯示出比商用蜂窩基板更高的甲烷氧化催化活性。傳統(tǒng)商業(yè)催化劑載體的甲烷轉(zhuǎn)化率為12.6%，而本文中3D打印制備的載體（打印的層與層偏移角度為90°時）的甲烷轉(zhuǎn)化率最高為89.6%。

圖2. 具有不同層旋轉(zhuǎn)偏移（燒結(jié)后）的3D打印基板

圖3. 結(jié)構(gòu)對甲烷轉(zhuǎn)化率的影響

催化增強歸因于湍流、傳質(zhì)效應(yīng)和比表面積的增加。計算流體力學(xué)（CFD）分析證實，3D打印基板上甲烷轉(zhuǎn)化率較高是由于其較高的湍流動能。結(jié)果表明，具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的基質(zhì)由于具有較高的湍動能而具有較高的轉(zhuǎn)化率。研究結(jié)果證明3D打印是設(shè)計催化轉(zhuǎn)化器的合適方法，其反應(yīng)活性比目前可用的商業(yè)載體高。這一發(fā)現(xiàn)對新型催化材料的設(shè)計和潛在的大規(guī)模生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

圖4. 通道內(nèi)的湍流動能矢量剖面

參考文獻：
Hajimirzaee S, Doyle A M. 3D printed catalytic converters with enhanced activity for low-temperature methane oxidation in dual-fuel engines[J]. Fuel, 2020,274:117848.