[发明专利]催化剂制造方法

说明书

本发明涉及通过叠层制造来制造催化剂。

典型地通过对粉末催化金属化合物进行造粒、挤出或成粒，随后煅烧和/或任选的还原阶段，制造非均相催化剂。或者利用催化剂化合物的溶液对通过对催化惰性材料进行造粒或挤出而形成的催化剂载体进行浸渍、干燥，然后经历煅烧和/或还原阶段。造粒、挤出和成粒方法在高效的同时，限制催化剂几何形状和物理性质的变化。

叠层制造(ALM)是顺序放置粉末材料的2-维层并熔合或结合在一起以形成3-维固体物体的技术。已经开发了制作用于航空和医疗用途中的金属和陶瓷部件的技术。

我们已经实现，ALM提供制造具有复杂几何形状和性质的催化剂结构的可能性，这是利用常规成形技术所不能实现的。

因此，本发明提供使用叠层法制造催化剂的方法，所述方法包括：

(i)形成催化剂或催化剂载体粉末材料层；

(ii)根据预定图案使所述层中的所述粉末结合或熔合；

(iii)层压层地重复(i)和(ii)以形成成形单元；以及

(iv)任选地将催化材料施加至所述成形单元。

本发明还提供可通过上述方法得到的催化剂和所述催化剂在催化反应中的用途。

ALM技术提供的主要改进在于催化剂性能和新的设计选项范围，包括更高的几何表面积对体积之比、更低的比重、受控的孔的几何形状、受控的气体/流体流动路径、受控的气体/流体湍流、受控的气体/流体停留时间、强化的填充、受控的热量、受控的热传递、受控的热损失以及更高的转化率和更好的催化选择性。

可使用已知技术将ALM法应用于催化剂设计，所述ALM法也称作层的制造、结构性制造、生成性制造、直接数字制造、自由形式的制作、固体自由形式的制作或随意成型（fabbing）。在所有情况中，通过常规3D设计计算机包能够实施所述ALM法，所述3D设计计算机包使得可将成形单元设计为所谓的“STL文件”，所述“STL文件”是3D形状的简单网眼描述。使用设计软件将STL文件切割成多个二维层，所述二维层是制作工艺的基础。然后，读取二维图案的制作设备以与2D切片相对应的方式顺序层压层地沉积粉末材料。为了成形单元具有结构整体性，在沉积层的同时将粉末材料结合或熔合在一起。重复层的沉积和结合或熔合的工艺，直至产生强壮(robust)的成形单元。未结合或未熔合的粉末易于因例如重力或鼓吹而从成形单元分离。

可获得大量ALM结合和熔合制作技术，显著的是3D印刷和激光烧结技术。然而，可使用任意一种技术。

在激光烧结中，所述工艺包括三个步骤，其中使用刮刀、辊或移动料斗首先将粉末材料的薄层施加到基础板上。对所述层的厚度进行控制。以二维方式施加激光辐射以熔合所述层。例如使用检流计镜根据期望图案对激光位置进行控制。在熔合所述层之后，将在其上放置层的板向下移动一个层的厚度并随后在熔合的层上遮盖新鲜的粉末层。重复所述程序，由此产生三维形式的成形单元。在形成形状之后，简单地通过重力或通过将其吹离，将未熔合的粉末与成形单元分离。

直接激光烧结使用固态纤维激光器在高温下实施所述工艺。这种系统商购得自Phenix Systems，例如如同在WO2005002764中所述的。

替代方法是使用具有聚合涂层的粉末材料或包含粉末材料和聚合粘合剂的组合物。在此情况中，激光用于熔化粘合剂。该技术具有优势，激光功率明显低于熔合方法的激光的功率。聚合涂布技术可商购得自EOS GmbH。

称作光固化快速成型（stereolithography）的其他替代方案使用分散在单体中的粉末，该单体在通过使用UV激光器进行光聚合在层中“固化”以充当粘合剂。所述粉末材料在单体中高达约60体积%。用于实施该工艺的合适设备商购得自Cerampilot。

在这些方法中，但尤其是后者，可对成形单元进行随后的热处理，实施所述热处理以烧掉并除去所有聚合粘合剂和/或改变成形单元的物理化学性质如其强度。

作为激光烧结或光固化快速成型的替代，所述ALM法可以基于将粘合剂印刷在粉末材料上并随后实施或不实施加热。通常，该方法使用多阵列喷墨印刷头将液体粘合剂层喷施在粉末层上以将粒子保持在一起。以与先前相同的方式将载体板向下移动并再次重复所述程序以按上述累积成形单元。在此情况中的层可以为0.02～5.0mm厚。通常应用随后的热处理以除去粘合剂。用于实施该工艺的合适设备可商购得自美国的Z-Corporation。