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3D打印金属氧化物材料的应用

发布日期：2019-02-16 0 2584

金属及金属氧化物材料可以利用粉末烧结、直写成型以及熔融沉积等多种打印工艺进行成型过程，具有操作成本低、成型精度高等优点，是一类优良的3D打印原料。

同时由于金属本身就是良好的整体式催化剂骨架材料，因此通过3D打印制备的金属结构可以采用和传统整体式催化剂制备类似的方法在打印框架上负载相应的活性组分。

常用的金属及金属氧化物直接打印工艺包括SLS及SLM等。

这类技术所需的3D打印设备一般比较昂贵，但技术成熟，操作成本低，同时打印精度较高，所得到的材料强度高。

可以通过负载的方法在打印结构中引入催化活性组分，从而制备得到不同的整体式催化材料。

Ambrosi等利用3D打印电极负载IrO2材料用于催化析氧（oxygenevolutionreaction，OER）反应。

Avril等利用3D打印制备了不同结构的催化静态混合器（catalyticstaticmixers，CSMs）用于连续管式反应器催化多种有机分子的加氢过程。

Essa等利用SLM工艺设计制备了多种结构的整体式催化剂床层，并通过计算和实验对其应用于实际反应过程的性能进行了评价。

以上工作中整体式材料的3D打印成型过程使用的原料均为不锈钢、铝等较为成熟的材料，活性组分只需在骨架表面浸渍或涂层即可，因此利用激光烧结类3D打印过程处理金属和金属氧化物材料不仅工艺简单，同时大大降低了制备过程的成本。

金属和金属氧化物材料3D打印的另一种途径是通过将前体粉末或溶液加入溶剂和黏度调节剂制成打印浆料，并通过直写成型进行打印。

该方法能够解决负载型金属整体式催化剂比表面积低、活性组分和结构骨架结合困难等问题。

该方法对于诸如氧化铝、氧化锌等多种金属氧化物材料都尤为合适。

Taylor等]将Fe和Ni的前体均匀分散在有机体系中用于直写成型打印过程，所得的材料经焙烧得到了金属氧化物结构骨架，并且进一步还原后可以得到金属骨架材料。

研究表明这类材料具有优良的力学性能，为此类材料在催化和吸附方面的应用提供了保证。

Tubio等报道了以Cu(NO3)2和Al2O3为前体，以纤维素类材料为黏度调节剂的直写成型过程。

材料经过1400℃焙烧除去有机组分后得到了具有规则打印结构的Cu/Al2O3催化剂。

该整体式催化材料具有良好的打印精度（约410μm）和较大的宏观孔隙率（57%），其整体式结构对于材料的Ullmann反应催化活性有着明显的促进作用。

结果显示，在无配体条件下，目标产物的产率可以达到78%～94%，同时反应时间可缩短至2～4h。

上海交通大学范同祥课题组通过直写成型工艺制备了基于TiO2且具有多级孔道结构的光催化材料，并利用仿生学原理制备了具有类似树叶结构的光催化材料用于CO2转化过程。

该过程以乙醇/水体系为溶剂，二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯（TIA）为Ti前体，十二烷基苯磺酸为造孔剂，以TIA水解过程形成的溶胶体系来保证打印过程的流变性要求。

该工艺得到的TiO2光催化材料具有良好的多级孔结构和较大的比表面积（237～267m2/g），同时能够利用模板法进行较为有效的微观孔径控制。

该材料光催化CO2的还原过程CO及CH4产量分别可以达到0.21μmol/(g·h)和0.29μmol/(g·h)，显著高于常规光催化剂的收率[0.11μmol/(g·h)和0.05μmol/(g·h)]。

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