西安交大科研人员在3D打印整体式多孔陶瓷催化剂领域取得新进展

催化剂在现代工业中占有极其重要的地位，约有90%以上的工业过程需要使用催化剂，如化工、生化、环保等。与粉末、颗粒和挤出物等传统形式催化剂相比，整体式催化剂具有操作简单、分离方便、可重复使用性好等显著优势。整体式催化剂通常具有更复杂的交联孔、较高的传质和传热效果、适合的压力和活性位点分布，在具有恶劣反应环境、高流速和难以液固分离的化学反应中具有巨大的应用潜力。乙二醇（EG）的传统制备工艺的乙烯的有效利用率低，产物分离的能耗高。因此，制备能够实现乙烯直接一步催化氧化成EG的整体式催化剂具有重要的学术价值和应用前景。

西安交通大学研究团队与中国石油天然气集团有限公司兰州化工研究中心开展合作，提出采用3D打印技术进行传统工艺无法实现的复杂结构整体式催化剂的快速制造方法，通过优化整体式催化剂中流道的尺寸和长度、调控催化剂本体孔隙特征，从而为精确控制催化反应时间、扩散长度、压降和催化材料特性提供了一种有效手段。采用反应器流场CFD模拟和催化材料3D打印技术，制备了一种具有鹦鹉螺仿生螺旋多孔结构、最优多级流道的整体式钛硅分子筛TS-1催化剂，实现了乙烯一步氧化为乙二醇的高效催化，解决了传统催化剂低效、难以分离和回收的难题。

图1.具有仿生螺旋结构的3D打印整体式TS-1催化剂的设计方法与制备工艺流程

通过模拟具有良好传质和能量交换性能的天然宏微孔结构，如叶脉、鹦鹉螺螺旋结构，在微孔（<2 nm）、中孔（2-50 nm）和大孔（>50 nm）的多级尺度上设计了结构化整体式催化剂。该团队结合计算流体动力学（CFD）分析，验证了在乙烯一步氧化为乙二醇的催化反应中，不同通道偏移角、轴向和径向通道尺寸对3D打印整体式TS-1催化剂催化性能的影响（如图1所示）。孔道偏移30°、侧孔高度1.2mm、轴向孔间距1.38mm的3D打印整体TS-1催化剂具有优异的压碎强度（135.11N/cm）和最优的催化效率（EG的产率达到82.7%，过氧化氢的利用率达到85.3%）（如图2所示）。此外，3D打印TS-1整体式催化剂在5次重复使用循环中性能基本没有衰减，具有良好的循环催化稳定性。

图2.具有不同通道偏移角（0°、15°、30°和90°）的3D打印整体TS-1的催化反应结果

相关研究成果以《3D打印多级孔整体式钛硅分子筛催化剂实现乙二醇的一步制备》为题发表在化工领域著名期刊《化学工程杂志》（IF:16.744）上，论文第一作者是西安交大博士研究生霍存宝，通信作者是西安交大田小永教授，论文作者还包括西安交大李涤尘教授、中石油兰化研究中心南洋高级工程师、西安交大研究生邱正平等。

近年来，研究团队以“创新多孔陶瓷、整体式催化剂制造，助力实现碳中和、碳达峰”为发展理念，致力于高性能功能陶瓷、整体式催化剂、微反应器3D打印产品开发与技术研发，与材料、化工领域交叉融合，实现了3D打印催化剂在石油化工、碳吸附碳中和等领域的应用。目前3D打印催化剂产品已在中石油兰化研究院完成中试验证。团队开展产业化应用推广，进行产学研融合，研发的结合仿真计算、反应器结构优化设计并3D打印整体式多孔陶瓷、催化剂与微反应器的定制化制造技术获得了陕西省秦创原春种基金投资。课题组支持学生创新创业，3D打印多孔陶瓷、整体式催化剂项目在多次创新创业大赛中获奖：2022年5月，荣获第33届腾飞杯大赛创业赛道银奖、第33届“腾飞杯”创新创业大赛才聚咸阳专项赛一等奖，8月，荣获第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛陕西赛区省赛（高教主赛道）银奖、第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛陕西赛区省赛（产业赛道）银奖。

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138259