[发明专利]变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体及建立方法

说明书

本发明公开了变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1.不同孔隙率的均匀多孔催化剂载体建模；步骤2.通过对均匀孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体流场有限元模型的分析，确定变孔隙率多孔催化剂载体孔隙率分布方案；步骤3.采用三周期极小曲面孔隙率特征参数进行拓扑优化，生成变孔隙率多孔催化剂载体几何文件；步骤4.采用多物理场有限元分析方法模拟验证催化性能：若模拟结果达到催化性能要求，则进行步骤5；若模拟结果未达到催化性能要求，则返回步骤2；步骤5.变孔隙率多孔催化剂载体几何文件，采用3D打印技术生成实体多孔催化剂载体。该方法能提升催化反应性能，获取具有高转化率的催化剂载体。

技术领域

本发明涉及催化剂材料领域，具体涉及一种变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体及建立方法。

背景技术

多孔结构是一种广泛存在于自然界和工业界的复杂拓扑结构，具有比表面积大、孔隙率高、轻量化、力学性能优异等特点，广泛应用于航空航天、桥梁、医学植入体等轻量化核心技术领域。近些年，由于多孔结构具有大比表面积、大迂曲度等特点而特别适合作为高性能催化反应载体的特性，逐渐被化工催化领域所重视。对此研究人员已研发出了包括多孔金属/非金属泡沫、蜂窝结构、点阵结构等多种结构化的催化剂载体，并成功应用于如汽车尾气处理、醇类燃料重整、催化燃烧等高性能催化反应体系中，取得了良好的性能和经济价值。例如，专利文献CN 110038608 A公布了一种应用于VOCs催化燃烧的结构化催化剂材料，该催化材料采用具有多孔结构、高热导率、高强度的泡沫碳化硅作为载体，表现出良好的VOCs催化氧化性能。而蜂窝和点阵结构由于自身的间断性，其内部均为非全联通，具有很强的各向异性，导致反应物在其内部传输相比较于多孔泡沫结构受到限制，不利于催化反应的充分快速进行。

然而目前公布的多孔泡沫、多孔纤维催化剂载体合成方法大多得到的是由无序的单胞结构组成的，不仅单胞结构存在较大各向异性，整体催化剂载体也呈现较强各向异性。从而导致这些多孔催化剂结构在受到外界或化学反应内部热源时，内部容易出现热应力集中，进而导致结构内部冷热点过多且分布不均匀，影响催化反应的进行、降低催化剂性能、导致负载的催化剂烧结脱落等。因此提高催化剂载体结构连续性及可控性是未来提升结构化催化剂载体性能的研究重点。

近年来，随着微型3D打印技术的飞速发展，复杂参数化微小结构的高精度合成逐渐成为可能。在几何拓扑学理论中，三周期极小曲面(Triple Periodic MinimalSurfaces，TPMS)是一种表面平均曲率为零的光滑连续仿生曲面。该曲面的生成遵循自然界物质合成朝能量最小方向进行的规律，在许多昆虫翅膀、海洋生物、树叶等中都发现存在类似的结构。TPMS具有天然的多孔连续特性，并且可以采用隐函数进行表达，进而精确地控制孔隙大小、分布及形状，这为高性能催化剂载体的参数化设计带来了理想解决方案。专利文献CN111737835A公开了一种基于三周期极小曲面的三维多孔散热结构及优化方法，以提升结构散热性能、热传导效率与效能。然而上述CN 111737835 A的目的仅仅是强化散热性能及热传导。而将TPMS应用在催化反应的设计及优化中，充分发挥TPMS结构光滑连续、可控精度高、热传导性能强、比表面积大等优势，提升催化反应性能，是现有技术中未曾提及的。因此本发明所要解决的技术问题是如何基于TPMS参数化设计和3D打印技术，生产具有高转化率的催化剂载体。

发明内容

为解决现有技术中上述问题，本发明提供一种变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体及建立方法，以解决如何提升催化反应性能及生产具有高转化率的催化剂载体的技术问题。

一方面，本发明提供一种变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体的建立方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：不同孔隙率的均匀多孔催化剂载体建模；

步骤2：通过对均匀孔隙率三周期极小曲面催化剂载体流场有限元模型的分析，确定变孔隙率多孔催化剂载体孔隙率分布方案；