西北工業(yè)大學(xué)梅輝教授團(tuán)隊(duì)：面向先進(jìn)光催化的3D打印組裝技術(shù)！

來(lái)源：焊接科學(xué)

3D打印為制造用于制氫、化學(xué)合成和污染物降解的半導(dǎo)體光催化劑系統(tǒng)提供了優(yōu)化途徑。3D光催化劑正在從擠出成型和3D打印發(fā)展到3D打印透明陶瓷。經(jīng)過(guò)對(duì)3D打印光催化劑的不懈探索，制造從納米尺度、微米尺度到宏觀尺度的精確尺寸的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是光催化劑的重要方法，并引起了極大的科學(xué)興趣。

為了記錄3D打印光催化材料和系統(tǒng)的最新進(jìn)展，近日，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院梅輝教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安工程大學(xué)、香港城市大學(xué)在《Materials Today Nano》（中科院1區(qū)，Top，影響因子10.3）發(fā)表最新綜述文章“3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis“，討論了傳統(tǒng)和最新的3D打印技術(shù)及其應(yīng)用，特別是整體式光催化劑、LED反應(yīng)器和微通道反應(yīng)器。梅輝教授為通訊作者。

該綜述強(qiáng)調(diào)了目前的主要成就以及剩余研究的挑戰(zhàn)和目標(biāo)。這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是具有特征尺寸的幾何和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和光催化性能�？偨Y(jié)了各種3D打印方法，包括它們的材料要求、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和典型用途。

圖1.“光觸媒-3D打印技術(shù)-3D打印結(jié)構(gòu)”的系統(tǒng)圖譜。

圖2. (a)用LED燈照射的微通道光微反應(yīng)器；（b）通過(guò)分子滲透，液體在水凝膠中的非連接通道之間傳輸。

圖3. 通過(guò)SLA方法生產(chǎn)高透光率的鎂鋁尖晶石透明陶瓷：(a)尖晶石陶瓷的3D打印和后熱處理過(guò)程示意圖。(b) 尖晶石納米粒子的 TEM 圖像和粒度分布（插圖）。（c）可打印尖晶石陶瓷漿料的流變行為，插圖顯示具有良好自保持能力的尖晶石陶瓷漿料的照片。(d–f) 印刷尖晶石透明原型的照片：透鏡陣列 (d)、菲涅爾透鏡 (e)、開(kāi)爾文細(xì)胞微晶格 (f)。

結(jié)論與展望

在這篇綜述中，作者討論了傳統(tǒng)3D打印技術(shù)和透明3D打印陶瓷及其在光催化反應(yīng)器和材料中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了它們的關(guān)鍵成就以及剩余的研究挑戰(zhàn)和差距。3D打印是整體式光催化劑、LED反應(yīng)器和微通道反應(yīng)器最有希望的方法。根據(jù)3D反應(yīng)器的形狀，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)仍需要更多研究：

(1) 對(duì)于整體式光反應(yīng)器，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)是提高其比表面積的關(guān)鍵。為了提高光反應(yīng)器的光效率，高透明陶瓷和石英玻璃是構(gòu)建自支撐整體式光催化劑的熱點(diǎn)。然而，打印的YAG和Al2O3結(jié)構(gòu)不適合形成具有高比表面積的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以吸收更多的光，打印的MgAl2O4的尺寸對(duì)于工業(yè)用途而言非常小，并且印刷的石英玻璃缺乏韌性。

(2) 對(duì)于LED反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的LED分布和光路會(huì)影響附著光催化的效率。目前LED分布的設(shè)計(jì)還很原始。為了使光觸媒獲得合適的亮度并充分利用LED燈，需要討論LED燈的分布。此外，還需要討論光路。在合適的位置添加鏡子可以提高光觸媒的效率。另外，光纖是LED反應(yīng)器的潛在器件。

(3) 對(duì)于微通道來(lái)說(shuō)，通道圖案和光輻照度是關(guān)鍵因素。需要注意光活性材料的設(shè)計(jì)及其在支撐結(jié)構(gòu)上的沉積。

如圖4所示，目標(biāo)應(yīng)用程序和區(qū)分功能可以識(shí)別3D打印方法的類(lèi)型。需要注意的領(lǐng)域包括目標(biāo)幾何形狀（例如多層或獨(dú)立式）、基板類(lèi)型、需要控制不同長(zhǎng)度尺度的特征以及所需的組裝分辨率。需要計(jì)算拓?fù)鋬?yōu)化方法來(lái)通過(guò)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)光分布、光路和透射率。放大的適用性、再現(xiàn)性和印刷成本也是重要因素。由于其他光催化劑載體不透明且失光嚴(yán)重，透明陶瓷和石英玻璃是制造進(jìn)一步3D光催化劑的理想材料；通過(guò)允許低光照吸收，它們將引領(lǐng)制造3D打印光催化劑的新趨勢(shì)。通過(guò)調(diào)整光催化劑和反應(yīng)器的幾何形狀和尺寸，優(yōu)化了光子和質(zhì)量到活性點(diǎn)的傳輸。SLA和SLM是未來(lái)光催化應(yīng)用的有前途的技術(shù)，因?yàn)樗鼈兊膹?fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有高分辨率、剛性和韌性，可以?xún)?yōu)化質(zhì)量和光利用的活性位點(diǎn)。

圖4. 目標(biāo)應(yīng)用和區(qū)分功能可以識(shí)別3D打印方法的類(lèi)型。

通訊作者

梅輝，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授，博導(dǎo)，國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃領(lǐng)軍人才，科技部創(chuàng)新推進(jìn)計(jì)劃人才、國(guó)家高層次青年人才、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，主要開(kāi)展陶瓷復(fù)材相關(guān)的吸波超材料、能源催化環(huán)保，超潤(rùn)滑、油水分離/超疏水、3D/4D打印、缺陷檢測(cè)等研究，近年來(lái)主持或完成國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)/面上、國(guó)家高技術(shù)863和國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)等10余項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目。獲國(guó)家專(zhuān)利18項(xiàng)，著作3部，教材1部，皇家墨爾本大學(xué)Adv compe mater英文專(zhuān)著1部。第一作者發(fā)表AFM、ACS Nano 、JMCA、Carbon等期刊學(xué)術(shù)論文159篇，發(fā)表的單篇論文獲得20萬(wàn)元頂級(jí)論文獎(jiǎng)勵(lì)。擔(dān)任美國(guó)陶瓷協(xié)會(huì)會(huì)員，中國(guó)復(fù)材學(xué)會(huì)陶瓷基分會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)。國(guó)際期刊AM、AFM、ACS Nano、Small、Carbon、Corros Sci、Compos Sci Technol、J Am Ceram Soc等通訊審稿人。擔(dān)任16次國(guó)際會(huì)議分會(huì)主席/組織者，4次大會(huì)秘書(shū)，25次特邀報(bào)告。

論文引用

Bai S, Mei H, Zhang M, et al. 3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis[J]. Materials Today Nano, 2023: 100385. https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2023.100385