西安交大CEJ：3D打印整體式TS-1催化劑實現(xiàn)一步制備乙二醇的高效催化

2022年9月27日，南極熊獲悉，西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊與中國石油天然氣集團(tuán)有限公司蘭州化工研究中心通過結(jié)合反應(yīng)器流場模擬CFD和3D打印技術(shù)，一步制備了一種具有鸚鵡螺仿生螺旋多孔結(jié)構(gòu)、最優(yōu)多級流道的整體式TS-1催化劑，實現(xiàn)了乙烯一步氧化為乙二醇的高效催化，解決了傳統(tǒng)催化劑低效、難以分離和回收的難題。

與粉末、顆粒和擠出物等傳統(tǒng)催化材料相比，在催化過程中使用整體式催化劑具有操作簡單、分離方便、可重復(fù)使用性好等顯著優(yōu)勢。設(shè)計結(jié)構(gòu)化整體催化劑，使催化劑精確分布在孔隙中，并匹配擴(kuò)散和反應(yīng)時間尺度，是快速實現(xiàn)過程強(qiáng)化的實施方案。整體催化劑通常具有更復(fù)雜的交聯(lián)孔、較高的傳質(zhì)和傳熱效果、適合的壓力和活性位點分布，在具有惡劣反應(yīng)環(huán)境、高流速和難以液固分離的化學(xué)反應(yīng)中具有巨大的應(yīng)用潛力。乙二醇（EG）的傳統(tǒng)制備工藝的乙烯的有效利用率低，產(chǎn)物分離的能耗高。因此，制備能夠?qū)崿F(xiàn)乙烯直接一步催化氧化成EG的整體催化劑具有優(yōu)異的市場價值。3D打印可以快速制造傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體式催化劑。3D打印可以調(diào)整流道的尺寸和長度，控制催化劑本體的層高和孔特征，從而精確控制反應(yīng)的本體停留時間、擴(kuò)散長度、壓降和催化材料特性。

圖1.具有仿生螺旋結(jié)構(gòu)的3D打印整體式TS-1催化劑的設(shè)計方法與制備工藝流程

通過模擬具有良好傳質(zhì)和能量交換性能的天然宏微孔結(jié)構(gòu)，如葉脈、鸚鵡螺螺旋結(jié)構(gòu)，在微孔（<2 nm）、中孔（2-50 nm）和大孔（>50 nm）的多級尺度上設(shè)計了結(jié)構(gòu)化整體催化劑。該團(tuán)隊結(jié)合計算流體動力學(xué)（CFD）分析，驗證了在乙烯一步氧化為乙二醇的催化反應(yīng)中，不同通道偏移角、軸向和徑向通道尺寸對3D打印整體式TS-1催化劑催化性能的影響。孔道偏移30°、側(cè)孔高度1.2mm、軸向孔間距1.38mm的3D打印整體TS-1催化劑具有優(yōu)異的壓碎強(qiáng)度（135.11N/cm）和最優(yōu)的催化效率（EG的產(chǎn)率達(dá)到82.7%，過氧化氫的利用率達(dá)到85.3%）。此外，3D打印TS-1整體式催化劑在5次重復(fù)使用循環(huán)中性能基本沒有衰減，具有良好的循環(huán)催化穩(wěn)定性。

圖2.具有不同的通道偏移角（0°、15°、30°和90°）的3D打印整體TS-1和流場模擬圖

圖3.具有不同通道偏移角（0°、15°、30°和90°）的3D打印整體TS-1的催化反應(yīng)結(jié)果

相關(guān)研究成果以“3D printing of hierarchically porous monolithic TS-1 catalyst for one-pot synthesis of ethylene glycol”為題發(fā)表在化工領(lǐng)域著名期刊《Chemical Engineering Journal》（IF:16.744）上，論文第一作者是西安交通大學(xué)博士研究生霍存寶，通信作者是西安交通大學(xué)田小永教授。

西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊與中石油蘭化研究院合作，致力于多孔陶瓷載體與整體式催化劑3D打印技術(shù)、工藝及裝備的研發(fā)，在石油化工、碳吸附中和等領(lǐng)域開展大量應(yīng)用研究，目前3D打印催化劑產(chǎn)品已在中石油蘭化研究院完成中試驗證。本研究成果獲得陜西省秦創(chuàng)原春種基金投資，開展產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣，成立陜西斐帛思凱科技發(fā)展有限公司，創(chuàng)新提出“3D打印催化劑工廠”理念，以“創(chuàng)新多孔陶瓷、整體式催化劑制造，助力實現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰”為發(fā)展思路，專注于高性能功能陶瓷、整體式吸附劑與催化劑3D打印裝備開發(fā)與技術(shù)服務(wù)，為石油化工、環(huán)境凈化、航空航天等領(lǐng)域提供功能陶瓷、整體式催化劑與吸附劑的低成本高效制造解決方案。

相關(guān)論文及鏈接：
Cunbao Huo, Xiaoyong Tian, Yang Nan, Zhengping Qiu, Qi Zhong, Xiaokang Huang, Dichen Li, 3D printing of hierarchically porous monolithic TS‐1 catalyst for one-pot synthesis of ethylene glycol [J]. Chemical Engineering Journal, 2022(450): 138259. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138259