[发明专利]陶瓷基催化剂载体的墨水直写式3D打印装置及制造方法

说明书

本发明公开了一种陶瓷基催化剂载体的墨水直写式3D打印装置及制造方法。通过将陶瓷前驱体材料、陶瓷颗粒、粘接剂和有机溶剂混合制备陶瓷前驱体打印浆料；通过设置墨水直写式3D打印参数，制备出复杂程度高，具有3D规则孔隙结构的陶瓷前驱体模型；通过氧化交联、高温烧结、催化剂涂覆以及反应器装配实现陶瓷基催化剂载体在化学催化领域的应用。本发明通过墨水直写式3D打印方法制备的陶瓷基催化剂载体具有比表面积高、压降性能好、化学稳定性高、热膨胀系数小等优点，将其应用于化学反应器中，能够很好的在降低压力损失的同时，提高反应物转化率和产物总产量，为化学反应器领域催化剂载体的制备提供了新的方案。

技术领域

本发明涉及3D打印以及化学催化剂载体领域，具体来说是涉及具有规则孔隙结构的陶瓷基催化剂载体的墨水直写式3D打印装置及制造方法。

技术背景

催化剂载体作为发生化学反应的场所，是化学反应器系统中最重要的组成部件。以甲醇重整制氢反应器为例，现有的制氢反应器内的催化剂载体大致可以分为：微流道式和泡沫金属式。其中微流道式具有流动性能好、压降小等优点，但其比表面积有限，导致可负载的催化剂量小，无法提高甲醇的转化率和氢气的总产量；泡沫金属式催化剂载体内部复杂的多孔结构使得其具有较大的比表面积，能够有更多的区域接触反应物质，从而提高甲醇转化效率，但复杂的多孔结构会使得反应物在内部的流动杂乱无章，导致反应器整体的压降性能降低，同时金属材料在长期使用后会发生腐蚀现象，从而降低反应器的耐久性能。通过墨水直写式3D打印方法制备具有规则孔隙结构的陶瓷基模型，并将其应用至甲醇重整制氢反应的催化剂载体，能够在保证比表面积的同时，提升反应物质在催化剂载体中的流动性能，同时陶瓷材料具有耐腐蚀性能高、热膨胀系数小、化学性能稳定等特点，能够提高反应器的使用寿命和整体性能。

中国发明专利(CN110240484.A)公开了一种3D打印高比表面积高效率催化剂-载体体系的方法，该方法通过光固化式3D打印方法制备出具有一定规则性的催化剂载体。该方法中所采用的光固化式3D打印方法需要向打印材料中添加光敏树脂和光引发剂，在高温烧结后会在模型中存在杂质，从而降低催化剂载体的机械性能。

中国发明专利(CN111250093)公开了一种3D打印整体式复合结构催化剂的制备方法，该方法将硅粉和金属粉体分别作为模型的载体和活性组分，使用碱溶液对硅粉和金属粉体进行溶解处理得到整体式复合结构催化剂。但该方法需要在惰性气体保护下进行，制造过程复杂，难度较高。

在已公开的专利中，尚未发现采用墨水直写式3D打印装置和方法制备具有3D规则孔隙结构的陶瓷催化剂载体。

发明内容

针对现有化学反应器中催化剂载体无法同时保证高转换率和压降性能，本发明的目的在于提供陶瓷基催化剂载体的墨水直写式3D打印装置及制造方法。通过采用墨水直写式3D打印技术，制备具有3D规则孔隙结构的陶瓷催化剂载体，在保证载体比表面积的同时，提高载体内部的流动性能，从而提升化学反应器的整体性能。

本发明现在甲醇重整制氢反应器中的墨水直写式3D打印具有成本低、方法简单、快速高效等优点，且具有规则孔隙结构的陶瓷催化剂载体能够在保证载体比表面积的同时，提高载体内部的流动性能以及载体的使用寿命，实现了一种通过墨水直写式3D打印技术制备具有3D规则孔隙结构的陶瓷催化剂载体。

本发明采用的技术方案是：

一、一种陶瓷基催化剂载体的墨水直写式3D打印装置：

包括墨水直写式3D打印机、空气压缩机、初级减压阀、次级减压阀和控制器；所述的墨水直写式3D打印机包括了墨水直写式3D打印装置、打印料筒；墨水直写式3D打印装置上方设有打印料筒，打印料筒经气压输送管和次级减压阀连接；

空气压缩机的出口依次经初级减压阀、次级减压阀后和墨水直写式3D打印机中的打印料筒连接，控制器分别与次级减压阀和墨水直写式3D打印机电连接，控制器通过控制次级减压阀和墨水直写式3D打印机实现材料挤出气压和3D打印路径的控制。