[发明专利]一种3D打印多孔催化器件的方法及一种多孔催化器件

说明书

本发明提供了一种3D打印多孔催化器件的方法和一种多孔催化器件，涉及催化剂技术领域。本发明通过双喷头直写3D打印设备，将第一陶瓷墨水打印成多孔陶瓷内芯，利用第二陶瓷墨水进行封装，得到陶瓷胚体；陶瓷胚体依次进行脱水和烧结，得到多孔陶瓷催化剂载体；多孔陶瓷催化剂载体进行表面刻蚀和改性，将改性的多孔陶瓷催化剂载体和催化剂的前驱体溶液混合进行水热反应，得到多孔催化器件。本发明提供的方法可一次打印成型多级多孔陶瓷内芯和致密的封装外壳，然后在多孔陶瓷骨架上原位负载催化剂，最终简单快速实现催化器件的工业化设计与制备，且获得的催化器件具有良好的催化活性、优异的稳定性以及可设计性，在水处理等应用中具有显著的前景。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，特别涉及一种3D打印多孔催化器件的方法及一种多孔催化器件。

背景技术

众多的有机污染物，例如来自于印染工业的着色剂或者染料在水中富集，造成严重的水体污染。目前常用的水处理方法包括物理吸附、离子交换、电化学催化以及氧化催化降解。氧化催化降解具有优异的降解性能以及良好的稳定性、可循环使用、成本低，逐渐发展成为主要的水处理方式。金属有机框架(MOFs)是一种新颖的高效氧化催化多孔材料，具有超大的比表面积、可调控的微结构以及极大的孔隙度等特征，对各种有机污染物，包括染料、抗生素等表现出优异的催化降解性能。尽管MOFs作为催化剂在水处理方面表现出极大的优势，但是其本身活性较低、稳定性较差以及繁琐的分离回收过程，极大地限制了该类催化剂在实际水处理过程中的应用。

目前提高MOFs催化剂综合应用性能的主要方式为将MOFs材料和其他的多孔材料，例如：活性炭、有机泡沫、分子筛以及多孔陶瓷等进行复合，制备多孔催化剂载体/催化剂复合材料，从而进一步暴露催化剂活性位点，增强物质的运输交换，提升催化剂稳定性以及增强循环再利用。但是目前的多孔材料机械加工性能较差，不能直接实现催化剂器件的制造，对于实际应用具有较大的限制。因此，开发一种快速制备催化器件的方法对于催化剂的实际应用具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种3D打印多孔催化器件的方法及一种多孔催化器件。本发明提供的方法能够实现多孔催化器件的整体打印，简单快速的实现多孔催化器件的工业设计与制备。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种3D打印多孔催化器件的方法，包括以下步骤：

(1)通过双喷头直写3D打印设备，将第一陶瓷墨水打印成多孔陶瓷内芯，然后利用第二陶瓷墨水将所述多孔陶瓷内芯进行封装，得到陶瓷胚体；

所述第一陶瓷墨水为磷酸铝溶胶、气相二氧化硅粉体和聚苯乙烯微球的混合物，所述第二陶瓷墨水为磷酸铝溶胶和氧化锆纳米粉体的混合物；

(2)将所述陶瓷胚体依次进行脱水和烧结，得到多孔陶瓷催化剂载体；

(3)将所述多孔陶瓷催化剂载体依次进行表面刻蚀和活化改性，得到改性的多孔陶瓷催化剂载体；将改性的多孔陶瓷催化剂载体和催化剂的前驱体溶液混合进行水热反应，得到多孔催化器件。

优选地，所述步骤(1)中第一陶瓷墨水中磷酸铝溶胶、气相二氧化硅粉体和聚苯乙烯微球的质量比为100：(20～30):(5～10)；所述第二陶瓷墨水中磷酸铝溶胶和氧化锆纳米粉体的质量比为1:0.8～1.2。

优选地，所述磷酸铝溶胶、气相二氧化硅粉体和聚苯乙烯微球的混合方法以及磷酸铝溶胶和氧化锆纳米粉体的混合方法均为球磨混合；所述球磨混合的转速为1500～2000rpm，球磨混合的次数为3～5次，每一次球磨混合的时间为2～3min。

优选地，所述步骤(1)中第一陶瓷墨水和第二陶瓷墨水的挤出压力独立地为0.3～0.35MPa，挤出移动速度独立地为3～10mm/s。

优选地，所述步骤(2)中脱水的温度为100～110℃，时间为3～4天。