功能陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕和高硬度等特性，在航天航空、生物醫(yī)學(xué)和精細(xì)化工等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，功能陶瓷由于其特殊的高熔點(diǎn)和高脆性等，無(wú)法采用傳統(tǒng)加工技術(shù)制備出復(fù)雜、高精度結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)合增材制造技術(shù)快速構(gòu)筑復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷，實(shí)現(xiàn)其快速精密加工制造，并通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善其性能具有重要意義。

       中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3D打印摩擦器件組聯(lián)合精細(xì)石油化工中間體國(guó)家工程研究中心工業(yè)催化課題組，在3D打印結(jié)構(gòu)化陶瓷催化器件研究方面獲新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Catalytic oxidation properties of 3D printed ceramics with Bouligand structures”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。

 3D打印結(jié)合仿生設(shè)計(jì)，提高催化活性

前期，研究人員將處理后的甘蔗與金屬有機(jī)框架ZIF-67@SCF CFR相結(jié)合，制備了一種新型的具有自然分層結(jié)構(gòu)的連續(xù)流催化生物反應(yīng)器，并將其用于處理有機(jī)污染物4-硝基苯酚（Materials Today Communications, 2022, 33, 104907）。

近期，該團(tuán)隊(duì)以快速高效制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能化陶瓷為目標(biāo)，受生物體布利岡結(jié)構(gòu)啟發(fā)，利用無(wú)機(jī)粘結(jié)劑為陶瓷骨架，采用3D打印技術(shù)制備了仿生布利岡結(jié)構(gòu)的不同螺距角螺旋陶瓷催化器件（螺距角(α)分別為30°、45°、60°、90°）和布利岡螺旋狀催化陶瓷，用于甲苯蒸汽的催化性能研究。結(jié)果表明，功能陶瓷催化器件在200°C下獲得的甲苯轉(zhuǎn)化率分別為92.51%、92.46%、90.67%、78.51%、95.52%，證明了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)催化效率的影響具有重要意義。

圖1. 仿螳螂蝦布利岡結(jié)構(gòu)的3D打印Pt/Al2O3陶瓷催化裝置及其制備過(guò)程

研究人員采用DIW 3D打印技術(shù)，制備了Pt修飾Al2O3陶瓷催化器件，其靈感來(lái)自于仿生螳螂蝦指節(jié)布利岡結(jié)構(gòu)進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換和氣流方向改變。采用Al2O3粉末、PMMA顆粒和無(wú)機(jī)AP粘結(jié)劑構(gòu)建穩(wěn)定、低收縮的陶瓷催化載體。用陶瓷煅燒去除PMMA顆粒，為負(fù)載Pt提供錨點(diǎn)。與微孔結(jié)構(gòu)相比，通過(guò)去除PMMA來(lái)制備更大的孔道以負(fù)載更多的催化劑，可替代復(fù)雜介孔結(jié)構(gòu)的制備。

圖2. 3D打印偏移角度Al2O3陶瓷載體的整體結(jié)構(gòu)和截面

研究人員利用3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)越性，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了各種角度的角度偏移陶瓷器件的制備。3D打印器件的結(jié)構(gòu)由0 °~180 °螺旋結(jié)構(gòu)逐層制作，垂直向上角度分別為30°、45°、60°、90°，每30°偏移一次。在橫截面上，不同旋轉(zhuǎn)角度的絲狀結(jié)構(gòu)留下不同的孔隙，仿生布利岡螺旋狀結(jié)構(gòu)中更密集的絲狀結(jié)構(gòu)允許更長(zhǎng)的氣體停留時(shí)間和湍流，從而提高催化活性。

圖3. 3D打印功能陶瓷對(duì)甲苯的催化性能研究

研究人員測(cè)試了甲苯蒸汽在不同旋轉(zhuǎn)角度的仿生布利岡結(jié)構(gòu)陶瓷催化反應(yīng)器中的氧化情況和陶瓷催化反應(yīng)器循環(huán)使用5次后的催化活性。相比粉末催化劑，整體式的陶瓷催化反應(yīng)器不僅具有優(yōu)良的催化活性，而且具有優(yōu)良的重復(fù)使用性和更好的水穩(wěn)定性。此外，研究人員通過(guò)流體力學(xué)分析驗(yàn)證了不同的結(jié)構(gòu)中流體通過(guò)的靜態(tài)壓和湍流動(dòng)能分布，輔助驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)催化性能的影響。

3D打印與仿生設(shè)計(jì)
© 3D科學(xué)谷白皮書(shū)

該工作證明了3D打印結(jié)合仿生布利岡結(jié)構(gòu)在創(chuàng)造性設(shè)計(jì)螺旋狀催化陶瓷方面的優(yōu)越性，對(duì)未來(lái)仿生催化材料與器件的發(fā)展具有重要意義。

來(lái)源：中科院蘭州化物所

論文引用信息：

Xin Xu, Bo He, Yixian Wang, Yuntai Xi, Desheng Liu, Zhongying Ji, Lichun Bai, Fang Dong, Zhibin Lu, Xiaolong Wang,Catalytic oxidation properties of 3D printed ceramics with Bouligand structures,Chemical Engineering Journal,Volume 474,2023,145504,ISSN 1385-8947,

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145504.

(責(zé)任編輯：admin)

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