利用3D打印設(shè)計(jì)生產(chǎn)的催化劑,成功提升了二氧化碳甲烷化的速度

事實(shí)證明，3D打印機(jī)的應(yīng)用比最初設(shè)計(jì)出來的用途要多得多。據(jù)外媒報(bào)道，西班牙阿利坎特大學(xué)（University of Alicante）就在利用3D打印機(jī)設(shè)計(jì)和制造高級催化劑，用于減少溫室氣體排放的環(huán)境應(yīng)用，以及凈化燃料電池所需的氫氣等能源應(yīng)用。事實(shí)上，此類設(shè)備也被認(rèn)為是一種環(huán)保的替代品，可以取代傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。

得益于阿利坎特大學(xué)無機(jī)化學(xué)教授Agustín Bueno López和Dolores Lozano Castelló領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員所研發(fā)的一種利用3D打印設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高級催化劑的新方法，上述應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。目前，研究人員還對該技術(shù)申請了專利。

科學(xué)家們已經(jīng)證明，3D打印機(jī)是一種便宜、快速且多功能的替代方案，可用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)催化劑的組成部分——整體式催化劑的內(nèi)部。

整體式催化劑，如“蜂巢”催化劑，在工業(yè)和發(fā)動(dòng)機(jī)的多相催化反應(yīng)中被用于給催化劑提供支持。在此類反應(yīng)中，相互作用的氣體和作為催化劑的固體或灰塵起著主要作用。此兩種物質(zhì)會(huì)參與到整體式催化劑的化學(xué)反應(yīng)中，將有毒氣體轉(zhuǎn)化為無毒氣體，或制成所需的最終產(chǎn)品。

目前，需要利用擠壓法獲取整體式催化劑，因此只能獲取具有并行通道的整體式催化劑。由于改進(jìn)了對灰塵的使用，固體得以在整體式催化劑的幾何結(jié)構(gòu)中沉積，從而改善化學(xué)反應(yīng)。這正是利用阿利坎特大學(xué)專利方法所取得的成果，該方法包括利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)和制造具有先進(jìn)通道設(shè)計(jì)的催化劑，以取代標(biāo)準(zhǔn)的擠壓法。

用作催化劑的粉末成本很高，因此需要采用更加便宜的方法。此種材料作為催化劑的活性相，由阿利坎特大學(xué)研究小組在實(shí)驗(yàn)室中合成。Agustín Bueno解釋道，此種粉末非常昂貴，儲量也不豐富，主要成分是鉑、鈀、銠或氧化鈰等金屬。因此，在具有幾何形狀和先進(jìn)設(shè)計(jì)的整體式催化劑中制造內(nèi)部通道非常重要。

在此類多相催化應(yīng)用中，關(guān)鍵的是要優(yōu)化氣體和固體之間的接觸，這一問題已經(jīng)被該研究小組解決。Dolores Lozano表示，3D打印發(fā)能夠利用陶瓷、碳、聚合物等新成分以及新通道設(shè)計(jì)生產(chǎn)整體式催化劑。目前，不僅利用擠壓法制出并行通道，還憑靠先進(jìn)設(shè)計(jì)，得以設(shè)計(jì)和研發(fā)出針對多相催化反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化的催化劑，在此類反應(yīng)中，反應(yīng)物處于氣相，從而可以改進(jìn)所采用的傳統(tǒng)催化劑。

此種催化劑可用于二氧化碳甲烷化反應(yīng)，因而可以減少溫室氣體排放。而且現(xiàn)在轉(zhuǎn)化和使用二氧化碳對于減少溫室氣體排放，是一種很有吸引力和前景的解決方案。Agustín Bueno還解釋了，該研究小組如何利用3D打印設(shè)計(jì)和制成先進(jìn)催化劑，成功提升了二氧化碳甲烷化的速度。

此外，選擇性氧化一氧化碳是一種必要的反應(yīng)，可用于凈化燃料電池中的氫。此種類型的裝置被認(rèn)為是一種環(huán)保替代品，可取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)。

阿利坎特大學(xué)利用3D打印設(shè)計(jì)生產(chǎn)的催化劑，能夠優(yōu)化其成分和幾何結(jié)構(gòu)、優(yōu)化合成催化劑在一氧化碳選擇性氧化時(shí)的表現(xiàn)，而且工作效率更高，可在150攝氏度以下工作。
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