【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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)域備受關(guān)注。然而，功能陶瓷因特殊的高熔點(diǎn)和高脆性等，無法采用傳統(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，并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善其性能，具有重要意義。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(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得新進(jìn)展。
 

　　前期研究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。
 

　　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)對催化效率的影響具有重要意義。
 

　　該研究采用DIW 3D打印技術(shù)，制備了Pt修飾Al2O3陶瓷催化器件。該工作的靈感來自仿生螳螂蝦指節(jié)布利岡結(jié)構(gòu)進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換和氣流方向改變。研究人員采用Al2O3粉末、PMMA顆粒和無機(jī)AP粘結(jié)劑，構(gòu)建穩(wěn)定、低收縮的陶瓷催化載體。科研人員運(yùn)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，通過去除PMMA來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。
 

　　該研究利用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。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)允許更長的氣體停留時間和湍流，從而提高催化活性。
 

　　該團(tuán)隊(duì)測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)器具有優(yōu)良的催化活性、優(yōu)良的重復(fù)使用性和更好的水穩(wěn)定性。此外，研究通過流體力學(xué)分析驗(yàn)證了不同的結(jié)構(gòu)中流體通過的靜態(tài)壓和湍流動能分布，輔助驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對催化性能的影響。
 

　　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，對未來仿生催化材料與器件的發(fā)展具有重要意義。
 

　　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。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、蘭州化物所協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟合作基金等的支持。石河子大學(xué)的科研人員參與研究。
 

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程
 

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

圖3. 3D打印功能陶瓷對甲苯的催化性能研究