[发明专利]一种3D打印高比表面积高效率催化剂-载体体系的方法

说明书

本发明涉及一种3D打印高比表面积高效率催化剂‑载体体系的方法，陶瓷粉末或前驱体单独研磨后分散到光固化树脂的工艺有效避免了混合球磨过程中因碰撞产生的局部高温和部分变性；打印机参数的设定对所配置浆料具有选择性，决定了每层打印厚度适中，有利于快速成型；陶瓷载体预制件的二段保温工艺保证了交联固化及裂解成型时间，避免了煅烧后结构变形。本发明制备的陶瓷载体由于其高稳定性，可适用于不同合成方法搭载催化剂，对催化剂的作用环境无苛刻要求，为结构‑功能一体化的催化剂大规模工业应用提供了新的思路。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种3D打印高比表面积高效率催化剂-载体体系的方法，特别涉及三维结构设计、催化剂载体打印制备、催化剂合成到载体表面，从而制备具有高比表面积、高催化效率和高稳定性的催化剂-载体材料体系的方法。

背景技术

新型催化剂体系的开发以及催化剂结构与性能之间的关系受到关注，具有精细宏观、微观结构的功能材料通过化学气相沉积等复杂的方法制备，阻碍了催化材料潜在的大规模工业应用，需要更简单和更灵活的方法制备专门的3D功能结构。陶瓷材料由于其耐高温、抗氧化、高强度、耐腐蚀等特点是理想的载体结构材料，但难以加工和成型复杂。高温烧结后留下丰富的孔可为催化剂提供大量的附着位点，增大与催化物质的接触面积，进而提高催化效率，这对陶瓷材料作为催化剂载体是有利的。3D打印技术可设计和精确控制催化剂载体多样化的结构，避免了传统制备方法所需的复杂制造工艺；打印催化剂的成本降低到合理的范围，以相对较低的成本实现精细结构的制备。通过增材制造来制备催化剂-载体材料体系将是合理可行的，这对催化剂的工业应用至关重要。

文献“Mei等A novel approach to strengthen naturally pored wood forhighly efficient photodegradation[J].Carbon,2018,139:378-385.”公开了一种生物形态多孔碳材料载体的制备方法，通过在惰性气氛下高温裂解获得连续有序的微通道结构，再通过水热法将光催化剂二硫化钼搭载到多孔载体表面，所制备的催化剂-载体复合体系的光降解效率由51％提高到98％，但该方法严重依赖载体的生物微形态，结构不可控。中国发明专利CN 107297204 A公开了一种碳纤维布/毡表面生长氧化钛纳米颗粒的制备方法，通过溶胶凝胶法和薄膜诱导法先后在碳纤维表面生成二氧化钛薄膜和纳米棒，制备得到二氧化钛催化网用于空气有机污染物降解。中国发明专利CN 108976734 A公开了一种聚乳酸3D打印线材的制备方法，通过聚乳酸树脂与无机矿物粉体及其他添加剂挤出造粒制备母体，线材生产线螺杆挤出机制备挤出定型收卷，获得了具有可见光光催化性能的线材。制备过程决定了大量的催化剂被包覆在线材内部无法参与光催化反应，光催化性能提高有限无法实现大规模应用。

中国发明专利CN 108724428 A公开了一种3D打印汽车用堇青石蜂窝陶瓷载体的方法，通过选择性激光烧结工艺打印陶瓷粉末与低温强化剂的混合物，再经浸渗高温粘结剂、脱除低温强化剂等工艺步骤获得汽车用蜂窝陶瓷。该方法仅要求单一蜂窝陶瓷结构，前处理及后处理工艺复杂，选择性激光烧结工艺容易造成内应力过大，不适用于大型载体结构的快速制备。中国发明专利CN 106891007 A公开了一种通孔结构金属材料的制备方法，通过金属粉末原料铺粉控制成型厚度，通过控制截面形状选择性粘结，紫外线扫描后产生光固化，通过热处理、脱脂和烧结获得多孔材料制件。中国发明专利CN 109095912 A提出根据通孔的基本参数以及排列方式与堇青石多孔蜂窝陶瓷载体的物理参数间关系，利用规则或不规则几何形状以及常规平行或异性交叉通孔设计多孔陶瓷载体微观结构，通过3D打印技术实现多孔蜂窝状陶瓷件一体化设计与快速制造。上述专利在制备多孔陶瓷/金属结构方面进行了尝试，但不具备作为载体材料的轻量化、结构可控和高比表面积，无法控制载体材料的微观形貌和孔结构，宏观结构仅限于通孔且未要求设计原则和载体与催化剂的关联，对催化剂效率和稳定性提高有限。