金屬3D列印技術：打破常規，根本上改變傳統催化反應方式​

導讀：此項設計打破常規，不需要在管內裝填催化劑，反應管內壁自帶催化功能，從根本上改變了傳統的催化反應方式。

在金屬3D列印中，關於產品的力學性能和幾何形狀已經得到了廣泛研究。然而，金屬3D列印本身所具備的化學性質和催化功能卻很少被提及。近日，來自日本富山大學、浙江海洋大學、浙江師範大學、中國科學院煤化學研究所等單位的研究人員發現，金屬3D列印產品本身可以同時作為化學反應器和催化劑（記為自催化反應器或SCR），直接將C1分子（包括CO、CO2和CH4）轉化為高附加值的化學品。相關論文以題為「Metal 3D printing technology for functional integration of catalytic system」發表在Nature Communications上。

論文連結：

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

催化劑和反應器是傳統催化系統的兩個重要組成部分。催化劑可以改變反應途徑，提高反應效率，或選擇性地生產目標化學品。反應器具有為各種催化反應提供合適環境的重要功能。雖然這兩個基本要素已經發展了這麼多年，但它們的研究重點卻截然不同。催化劑的研究主要集中在製備方法、反應機理、結構表徵、催化劑性能等方面。而反應器的研究主要集中在更新反應器類型和功能、增強傳熱傳質、降低壓降等方面。迄今為止，催化劑和反應器的研究仍是兩個不同的方向，將催化劑與反應器功能相結合以有效控制化學反應的研究卻很少。因此，有必要發展它們的功能集成和協同作用，以實現未來的催化體系優越的化學合成。

3D列印技術在生物技術、假肢、建築、藥物合成等領域得到了廣泛的研究(圖1a)。最近，幾個研究小組在催化劑製備和反應器設計方面也取得了相當大的進展。採用3Ｄ列印技術，如熔融沉積模型(FDM)、立體印刷術(SLA)和選擇性雷射燒結(SLS)，來列印功能催化劑或反應器。列印催化劑或反應器在化學合成和分析方面顯示了許多新的和令人興奮的趨勢。然而，催化劑和反應器的製造原理是相互獨立的。它們之間的協同作用也被忽略了。此外，催化劑和反應器的單獨列印，也會導致列印過程複雜，速度慢。針對以上問題，有必要探索簡單快速的製造策略。金屬3D列印反應器，同時結合催化功能，是克服這些障礙的可行途徑。此外，它還適用於苛刻的反應條件，如高溫和/或高壓，如石化或C1化工複合體的大型催化設施。

傳統上，石油精煉是生產液體燃料的主要途徑。但是，隨著石油儲備的迅速枯竭，迫切需要開發新的合成途徑，將非石油資源(如天然氣/頁巖氣、ＣＯ２、生物質)轉化為液體燃料。長期以來，人們一直在研究費託(FT)合成、ＣＯ２加氫和ＣＯ２與CH4的重整(DRM)的替代路線或關鍵步驟。金屬3D列印是一項非常有前途的技術，有望徹底改變反應設備。

在此，研究者設計製造了三種SCRs(Fe-SCR、CO- SCR、Ni-SCR)，實現了C1分子(包括CO、CO2、CH4)直接轉化為高附加值化學品。在高壓FT合成和CO2加氫過程中，Fe-SCR和Co-SCR具有很高的選擇性合成液體燃料。Ni-SCR在高溫DRM中具有高的CO2和CH4轉換率。此外，對Co-SCRs的結構研究表明，金屬3D列印本身可以增強催化劑和反應器之間的協同作用，並建立多種控制功能來調整催化產物的分布。

圖1 3D列印自催化反應器(SCR)和其他典型應用。

圖2 SCRs的催化性能。

圖3 Co-SCRs的幾何結構。

圖4 幾何結構對FT積分布的影響

總的來說，研究者通過金屬3D列印技術成功設計了三種SCR(Fe-SCR, Co-SCR, Ni-SCR)。這項工作提供了一種簡單、快速和可行的技術來建立反應器和催化劑之間的功能集成和協同作用，並促進了未來催化系統的新設計。這種自催化設計能夠促進3D列印技術的發展，並在化學、能源、製藥、材料合成、機械製造等領域得到廣泛應用。（文：水生）

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