3D打印+超結(jié)構(gòu)催化劑！西安交大發(fā)布最新研究成果

來(lái)源：催化開(kāi)天地

隨著增材制造技術(shù)不斷拓展其在功能材料與能源催化領(lǐng)域的邊界，3D打印在高性能催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面迎來(lái)了新突破。近日，西安交通大學(xué)李滌塵、田小永教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合化工學(xué)院吳志強(qiáng)教授，成功研制出一種仿生超結(jié)構(gòu)的3D打印鈣鈦礦催化劑，其在結(jié)構(gòu)可控性、傳質(zhì)效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)制造的粉體催化劑，相關(guān)成果以“3D-Printed Bioinspired Meta-Structural Perovskite Catalysts for Dry Reforming of CH4 and CO2”為題，發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊Advanced Materials。

甲烷干重整（Dry Reforming of Methane, DRM）是一種將CH4和CO2等溫室氣體轉(zhuǎn)化為合成氣（CO和H2）的重要過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)CO2資源高效利用與“碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。西安交大研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型催化劑構(gòu)筑策略，通過(guò)氣壓-螺桿共擠出的3D打印技術(shù)，構(gòu)建出多尺度孔隙梯度、結(jié)構(gòu)可調(diào)、流道有序的仿生整體式催化劑。催化劑材料由LaFe0.5Ni0.5O3鈣鈦礦與擬薄水鋁石復(fù)合，經(jīng)調(diào)控孔隙與材料分布，實(shí)現(xiàn)區(qū)域多峰孔徑結(jié)構(gòu)（9.32 nm / 103.75 nm）。3D打印工藝實(shí)現(xiàn)了LFN含量梯度（11–35%）與流體路徑定制，催化劑比表面積達(dá)102.26 m2/g，抗壓強(qiáng)度達(dá)8.48 MPa，壓降大幅降低，達(dá)到了82.13%的CH4轉(zhuǎn)化率和 9.69 mmol/g的合成氣產(chǎn)量，催化效率較傳統(tǒng)粉末床提升10%。

圖1 具有肺支氣管分形仿生超結(jié)構(gòu)的3D打印整體式鈣鈦礦催化劑

借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了不同通道結(jié)構(gòu)對(duì)壓降、流速分布及反應(yīng)性能的影響。結(jié)果表明，3D@1-2 mm 和 3D@1-2-3 mm等分級(jí)通道結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更優(yōu)流動(dòng)與催化特性。相較之下，雖然3D@0.5-1-2 mm結(jié)構(gòu)提供更高表體積比，但壓降顯著上升，導(dǎo)致反應(yīng)效率下降。研究還發(fā)現(xiàn)，引入結(jié)構(gòu)梯度可增強(qiáng)反應(yīng)效率，但并非總能提升傳質(zhì)能力，需在“復(fù)雜性”與“反應(yīng)效率”之間權(quán)衡。

圖2. 不同結(jié)構(gòu)LFN催化劑的DRM反應(yīng)模擬與結(jié)果比較

圖3. LaFe0.5Ni0.5O3鈣鈦礦催化劑的合成與超結(jié)構(gòu)陶瓷催化劑3D打印。

該催化劑在75次循環(huán)、50小時(shí)的DRM長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試中表現(xiàn)出色。CH4轉(zhuǎn)化率維持在74%，合成氣產(chǎn)量為7.19 mmol·g-1，僅下降14.61%。催化劑結(jié)構(gòu)完整，無(wú)明顯塌陷或燒結(jié)現(xiàn)象。在相同LFN負(fù)載條件下，LFN含量為23 wt%的3D打印超結(jié)構(gòu)催化劑顯示出優(yōu)異的催化性能：H2產(chǎn)率達(dá)69.83%，CO產(chǎn)率為57.83%，合成氣產(chǎn)量為8.42 mmol·g-1，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)LFN粉末催化劑（6.71 mmol·g-1）及常規(guī)貴金屬基催化劑，兼具性能與經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)。

圖4. 3D打印超結(jié)構(gòu)LFN催化劑的DRM反應(yīng)性能評(píng)估。

圖5. 3D打印超結(jié)構(gòu)鈣鈦礦催化劑的DRM催化機(jī)理分析

通過(guò)原位漫反射紅外光譜（DRIFTS）測(cè)試，研究進(jìn)一步驗(yàn)證了該催化劑具備良好的協(xié)同氧化還原機(jī)制，能夠有效再生晶格氧并維持高效催化循環(huán)。這種性能提升源于3D打印超結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的多尺度孔隙控制與流場(chǎng)定制化設(shè)計(jì)，有效促進(jìn)了反應(yīng)路徑與質(zhì)量傳遞的耦合協(xié)同。該研究展示了材料科學(xué)、流體力學(xué)、能源催化與先進(jìn)制造的深度融合，為未來(lái)高性能催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可復(fù)制的路徑。相關(guān)論文第一作者為西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院助理教授霍存寶，通訊作者為田小永教授。論文作者還包括李滌塵教授、吳志強(qiáng)教授、胡準(zhǔn)副教授、吳玲玲副教授，中石油石化院王寶杰主任、楊耀工程師，以及研究生吳樹(shù)旺、張榕江（西安泰金新能）、談磊、李可欣等。

論文鏈接：C. Huo, S. Wu, R. Zhang, Z. Wu, X. Tian, L. Tan, K. Li, Y. Yang, B. Wang, Z. Hu, L. Wu, D. Li, 3D-Printed Bioinspired Meta-Structural Perovskite Catalysts for Dry Reforming of CH4 and CO2. Adv. Mater. 2025, 2508078. https://doi.org/10.1002/adma.202508078