中國(guó)粉體網(wǎng)訊  功能陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕和高硬度等特性，在航天航空、生物醫(yī)學(xué)和精細(xì)化工等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，功能陶瓷由于其特殊的高熔點(diǎn)和高脆性等，無法采用傳統(tǒng)加工技術(shù)制備出復(fù)雜、高精度結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)合增材制造技術(shù)快速構(gòu)筑復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷，實(shí)現(xiàn)其快速精密加工制造，并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善其性能具有重要意義。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3D打印摩擦器件組聯(lián)合精細(xì)石油化工中間體國(guó)家工程研究中心工業(yè)催化課題組，在3D打印結(jié)構(gòu)化陶瓷催化器件研究方面獲新進(jìn)展。

近期，該團(tuán)隊(duì)以快速高效制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能化陶瓷為目標(biāo)，受生物體布利岡結(jié)構(gòu)啟發(fā)，利用無機(jī)粘結(jié)劑為陶瓷骨架，采用3D打印技術(shù)制備了仿生布利岡結(jié)構(gòu)的不同螺距角螺旋陶瓷催化器件（螺距角(α)分別為30°、45°、60°、90°）和布利岡螺旋狀催化陶瓷，用于甲苯蒸汽的催化性能研究。結(jié)果表明，功能陶瓷催化器件在200°C下獲得的甲苯轉(zhuǎn)化率分別為92.51%、92.46%、90.67%、78.51%、95.52%，證明了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)催化效率的影響具有重要意義。

仿螳螂蝦布利岡結(jié)構(gòu)的3D打印Pt/Al₂O₃陶瓷催化裝置及其制備過程

研究人員采用DIW （直接墨水書寫）3D打印技術(shù)，制備了Pt修飾Al₂O₃陶瓷催化器件，其靈感來自于仿生螳螂蝦指節(jié)布利岡結(jié)構(gòu)進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換和氣流方向改變。采用Al₂O₃粉末、PMMA顆粒和無機(jī)AP粘結(jié)劑構(gòu)建穩(wěn)定、低收縮的陶瓷催化載體。用陶瓷煅燒去除PMMA顆粒，為負(fù)載Pt提供錨點(diǎn)。與微孔結(jié)構(gòu)相比，通過去除PMMA來制備更大的孔道以負(fù)載更多的催化劑，可替代復(fù)雜介孔結(jié)構(gòu)的制備。

3D打印偏移角度Al₂O₃陶瓷載體的整體結(jié)構(gòu)和截面

研究人員利用3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)越性，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了各種角度的角度偏移陶瓷器件的制備。打印器件的結(jié)構(gòu)由0 ° ~ 180 °螺旋結(jié)構(gòu)逐層制作，垂直向上角度分別為30°、45°、60°、90°，每30°偏移一次。在橫截面上，不同旋轉(zhuǎn)角度的絲狀結(jié)構(gòu)留下不同的孔隙，仿生布利岡螺旋狀結(jié)構(gòu)中更密集的絲狀結(jié)構(gòu)允許更長(zhǎng)的氣體停留時(shí)間和湍流，從而提高催化活性。

3D打印功能陶瓷對(duì)甲苯的催化性能研究

研究人員測(cè)試了甲苯蒸汽在不同旋轉(zhuǎn)角度的仿生布利岡結(jié)構(gòu)陶瓷催化反應(yīng)器中的氧化情況和陶瓷催化反應(yīng)器循環(huán)使用5次后的催化活性。相比粉末催化劑，整體式的陶瓷催化反應(yīng)器不僅具有優(yōu)良的催化活性，而且具有優(yōu)良的重復(fù)使用性和更好的水穩(wěn)定性。此外，研究人員通過流體力學(xué)分析驗(yàn)證了不同的結(jié)構(gòu)中流體通過的靜態(tài)壓和湍流動(dòng)能分布，輔助驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)催化性能的影響。

該工作證明了3D打印結(jié)合仿生布利岡結(jié)構(gòu)在創(chuàng)造性設(shè)計(jì)螺旋狀催化陶瓷方面的優(yōu)越性，對(duì)未來仿生催化材料與器件的發(fā)展具有重要意義。

上述研究成果以“Catalytic oxidation properties of 3D printed ceramics with Bouligand structures”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。石河子大學(xué)博士生徐昕為該論文第一作者，王曉龍研究員和姬忠瑩助理研究員為通訊作者。

以上工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院“西部之光”交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院蘭州化物所協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟合作基金等項(xiàng)目的支持。

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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