金属3D打印技术：打破常规，根本上改变传统催化反应方式​！

导读：此项设计打破常规，不需要在管内装填催化剂，反应管内壁自带催化功能，从根本上改变了传统的催化反应方式。

在金属3D打印中，关于产品的力学性能和几何形状已经得到了广泛研究。然而，金属3D打印本身所具备的化学性质和催化功能却很少被提及。近日，来自日本富山大学、浙江海洋大学、浙江师范大学、中国科学院煤化学研究所等单位的研究人员发现，金属3D打印产品本身可以同时作为化学反应器和催化剂（记为自催化反应器或SCR），直接将C1分子（包括CO、CO₂和CH₄）转化为高附加值的化学品。相关论文以题为“Metal 3D printing technology for functional integration of catalytic system”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17941-8

催化剂和反应器是传统催化系统的两个重要组成部分。催化剂可以改变反应途径，提高反应效率，或选择性地生产目标化学品。反应器具有为各种催化反应提供合适环境的重要功能。虽然这两个基本要素已经发展了这么多年，但它们的研究重点却截然不同。催化剂的研究主要集中在制备方法、反应机理、结构表征、催化剂性能等方面。而反应器的研究主要集中在更新反应器类型和功能、增强传热传质、降低压降等方面。迄今为止，催化剂和反应器的研究仍是两个不同的方向，将催化剂与反应器功能相结合以有效控制化学反应的研究却很少。因此，有必要发展它们的功能集成和协同作用，以实现未来的催化体系优越的化学合成。

3D打印技术在生物技术、假肢、建筑、药物合成等领域得到了广泛的研究(图1a)。最近，几个研究小组在催化剂制备和反应器设计方面也取得了相当大的进展。采用3Ｄ打印技术，如熔融沉积模型(FDM)、立体印刷术(SLA)和选择性激光烧结(SLS)，来打印功能催化剂或反应器。打印催化剂或反应器在化学合成和分析方面显示了许多新的和令人兴奋的趋势。然而，催化剂和反应器的制造原理是相互独立的。它们之间的协同作用也被忽略了。此外，催化剂和反应器的单独打印，也会导致打印过程复杂，速度慢。针对以上问题，有必要探索简单快速的制造策略。金属3D打印反应器，同时结合催化功能，是克服这些障碍的可行途径。此外，它还适用于苛刻的反应条件，如高温和/或高压，如石化或C1化工复合体的大型催化设施。

传统上，石油精炼是生产液体燃料的主要途径。但是，随着石油储备的迅速枯竭，迫切需要开发新的合成途径，将非石油资源(如天然气/页岩气、ＣＯ_２、生物质)转化为液体燃料。长期以来，人们一直在研究费托(FT)合成、ＣＯ_２加氢和ＣＯ_２与CH₄的重整(DRM)的替代路线或关键步骤。金属3D打印是一项非常有前途的技术，有望彻底改变反应设备。

在此，研究者设计制造了三种SCRs(Fe-SCR、CO- SCR、Ni-SCR)，实现了C1分子(包括CO、CO₂、CH₄)直接转化为高附加值化学品。在高压FT合成和CO₂加氢过程中，Fe-SCR和Co-SCR具有很高的选择性合成液体燃料。Ni-SCR在高温DRM中具有高的CO₂和CH₄转换率。此外，对Co-SCRs的结构研究表明，金属3D打印本身可以增强催化剂和反应器之间的协同作用，并建立多种控制功能来调整催化产物的分布。

图1 3D打印自催化反应器(SCR)和其他典型应用。

图2 SCRs的催化性能。

图3 Co-SCRs的几何结构。

图4 几何结构对FT积分布的影响

总的来说，研究者通过金属3D打印技术成功设计了三种SCR(Fe-SCR, Co-SCR, Ni-SCR)。这项工作提供了一种简单、快速和可行的技术来建立反应器和催化剂之间的功能集成和协同作用，并促进了未来催化系统的新设计。这种自催化设计能够促进3D打印技术的发展，并在化学、能源、制药、材料合成、机械制造等领域得到广泛应用。（文：水生）