结构化催化转换器金属增材制造的机遇和局限性

| 3DScienceValley · 2024/03/04

谷专栏

根据的市场观察，3D打印用于催化领域，我国已获得研究领域的建树。在这方面，中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员团队与兰州大学周林成副教授团队合作，结合3D打印技术在复杂器件构筑及自由设计、制造与成型等领域的优势，开展了3D打印MOFs修饰的多孔陶瓷催化材料与器件研究，用于水体有机污染物催化降解。

本期，借助德国卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 微过程工程研究所 (IMVT)、德国卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 化学技术与高分子化学研究所 (ITCP)、德国卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 机械加工工程与力学研究所 (MVM)、德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）催化研究与技术研究所（IKFT）联合发布的《Opportunities and limitations of metal additive manufacturing of structured catalytic converters》论文，与谷友一起来领略结构化催化转换器金属增材制造的机遇和局限性。

机遇与挑战

借助增材制造，催化转换器可以引入具有良好流动特性的更复杂的形状，以减轻质量传输限制。此外，还有可能采用更广泛的金属基材，包括那些以前在通常依赖于薄金属箔钎焊的传统制造方法中被认为不兼容或不切实际的金属基材。根据金属增材制造中使用的金属粉末的热性能，所开发的结构化催化转化器可以在较宽的温度范围内运行，这是有效排放控制的关键因素。此外，基板内的传热可以定制，为冷启动应用开辟了新的可能性。金属增材制造的另一个显著优势是能够定制催化剂，以适应最小的设备并减轻移动应用的重量。通过利用这些参数来调整催化性能，增材制造不仅可以提高催化性能，还可以增强转换器的可持续性。

▲负载型非均相催化剂的通道横截面示意图。整体式基板由金属或陶瓷制成。称为载体涂层的多孔陶瓷层涂在该基板的顶部，以更好地容纳铂族金属。
© KIT

利用增材制造 (AM)，具有复合结构的反应器具有局部调整的几何形状和受控的孔隙率，可以有效地用于化学反应。这项创新增强了轴向和横向的流动和传输特性。结构化催化剂与增材制造相结合具有巨大的潜力，也面临着不少的挑战，一个重大挑战是缺乏适合催化转化器增材制造的高温材料；此外，还需要确保催化剂系统和3D打印材料之间的最佳粘附和化学相互作用需要进行详细的研究。

创新可能性

增材制造在排放控制中的应用提供了创新的可能性，这将在应对具有挑战性的污染物方面发挥关键作用。一个主要例子是处理甲醛，它是由油漆店、木工甚至厨房产生的。虽然许多这些物质可以在相当低的温度下转化，但实现高转化率具有挑战性。由于传统催化转化器中通常为层流以及甲醛等挥发性有机化合物固有的扩散特性，有毒化学品的氧化可能会受到运输限制。这些限制通常导致生产更大的转化器以及需要使用更大量的催化剂材料。

排放控制系统的另一个应用领域是航空领域，航空领域催化转化器的当前设计在应用于航空目的时遇到许多操作挑战。这些问题可以表现为尺寸大、重量重和压降高，而3D打印为当前的问题提供了解决方案的可能性。

最后一个例子是非道路移动机械 (NRMM)，例如链锯或动力总成。尽管排放与交通部门相同类型的污染物，NRMM 的催化转化器必须安装在具有不同几何形状的非常有限的空间中，同时在冷启动期间保持高活性。此外，一个首要挑战是需要增加此类系统翻新和回收的可能性。

在所有提到的情况下，增材制造可以通过新设计的高强度和轻型催化转化器来提供处理排放问题的独特可能性。

结构化催化转化器的增材制造

AM增材制造技术在处理多相流的非等温催化转化器和反应器的制造中的应用更具挑战性，因此被归类为高科技产品开发。

最初，研究人员主要使用塑料增材制造方法，例如熔融沉积建模 (FDM) ，或DIW 3D打印技术来制造含陶瓷材料的材料，再通过热处理步骤去除塑料材料，剩下的部分是具有蜂窝状结构的坚硬多孔陶瓷芯。

第二种策略是使用金属墨水3D打印制造催化转换器。例如，使用铜基和铁掺杂碳化硅墨水，然而，这种策略是一种相当昂贵的方法，这使得这种方法更适合制造复杂的微型电子和生物医学设备。

第三个策略是单片基板由增材制造直接生产，由于高温需求，只有金属、陶瓷和金属陶瓷复合材料可以被视为合适的材料。

结论与展望

金属增材制造在化学工艺领域越来越受到关注，特别是对于设计化学反应器的标志和制造。设计自动化和多功能制造步骤本地化等关键发展正在推动这项技术向前发展，并为催化转化器的生命周期管理带来革命性的变革。特别是，在严重依赖稀缺且昂贵的贵金属的催化还原和消除排放方面，用于制造催化系统的新制造技术对于解决新出现的污染物和日益严格的排放限制至关重要。

不可否认的是，增材制造将在现代催化转化器的发展中发挥重要作用。然而，用于催化应用的增材制造工艺开发仍处于早期阶段，必须对修补基面涂层具有令人信服的粘附力才能在实践中使用。同时，涂层方法的改进和进步必须与增材制造技术相协调，以更有效地装备催化转化器的现代化。在未来的研究中，研究在3D打印金属整体上创建粘附多孔涂层的策略非常重要。

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