​3D打印与焊接相结合制造高性能沸石

来源：增材之光

中国的研究人员正在探索使用称为沸石的矿物，希望通过3D打印和焊接来利用“理想的结构”，这在'通过3D打印和沸石焊接制造机械坚固的无粘合剂结构的沸石：高级二氧化碳捕集的配置。'

作者关注的是，由于机械性能问题以及吸收问题和扩散动力学挑战，3D打印根本不够。在这项研究中，他们试图构建坚固的沸石整料，用于实际应用。在常规工作中，沸石晶体通常包括在较小的结构中，例如粒料，用于工业制造。然而，由于潜在的问题，例如传热缓慢，压力大幅下降以及其他功能障碍，通常需要优化配置。传统的“策略”通常包括将沸石粉末沉积在泡沫，合金或甚至堇青石上;或者，通过冷冻铸造、模板化、结晶化和其他类型的加工使用自支撑。

3D打印的机械强度无粘结剂沸石整料的制造过程示意图：I）通过混合“第1部分”和“第2部分”（包括NaX粉末，HNT，HPMC，胶体二氧化硅）获得具有最佳粘度的均匀打印油墨，和去离子水。II）含有通过3D打印系统中的喷嘴挤出的油墨的沸石遵循由计算机控制的精心设计的运动，产生ZM-P。III）高温煅烧处理以获得ZM-WB。IV）水热结晶以产生ZM-BF。

由于机械强度，以前的3D打印沸石受到限制：

“机械强度，活性沸石的质量负载和扩散动力学之间的权衡仍然是3D打印结构化沸石的实际应用的一个挑战性障碍。因此，非常希望开发一种简便的策略来制造3D打印的无粘结剂的分级结构沸石，其具有融合机械强度，快速质量扩散和高沸石负载的优点，用于实际的压力/温度变化吸附。

研究团队创建了一个概念验证研究，开发了无粘合剂的NaX沸石整料（ZM-BF），具有以下特点：
•强大的机械完整性
•层次结构
•出色的二氧化碳吸附能力
3D打印和传统水热结晶成功融合，在以下方面形成高性能沸石：
•气体分离
•催化剂
•传感器
•其他高级应用程序

为了加强3D打印的沸石整料，研究人员在研究中使用了含有14wt％硝酸盐的打印油墨。

研究人员说：“添加适量的硅胶作为额外的硅源是为了抑制HNT转化为A型沸石。”将混合物彻底搅拌2小时，然后进行超声波处理，以确保均匀性并避免出现气泡。利用上述油墨，采用一个固定在3D打印机上的喷嘴，通过一层一层地打印出预先设计好的几何图形。然后将制备好的ZM-P冷冻干燥以防止部分收缩和塌陷，然后在650°C下煅烧以提高机械稳定性，并通过去除HPMC基质形成大量大孔。”

3D打印的沸石整料的物理和微观结构特征。a）NaX沸石粉末，ZM-WB和ZM-BF的PXRD图案。注：标有黑点的峰是沸石NaA的特征衍射峰。b）NaX粉末，ZM-WB和ZM-BF的N2吸附 - 解吸等温线。c）源自DFT方法的NaX粉末，ZM-WB和ZM-BF的PSD曲线。d）通过压汞孔隙率测定法测定的ZM-WB和ZM-BF的PSD曲线。e，f）用各种打印油墨增材制造的3D打印沸石整料的代表性应力 - 应变曲线（e）和压缩强度（f）。

随着埃洛石纳米管的引入，研究团队能够将“稳健 - 界面HNT桥”与晶体成功地结合起来，使它们成为一个连接的键网络，从而进一步实现其加强机械稳定性的目标。

“动态突破性试验表明，ZM-BF比商业基准NAX分子筛具有优越性，可选择性地从烟气、天然气和沼气中捕获二氧化碳。据我们所知，这种3D打印无粘合剂沸石整体是第一种结构沸石，完全克服了机械强度、扩散动力学和吸附能力之间的权衡。”研究人员总结说。

“我们相信当前研究的'3D打印和沸石焊接'策略可以为设计和制造其他无粘结剂的分级结构沸石提供通用途径，这可以开启更先进的3D打印沸石应用，不仅在吸附方面，而且在其他领域，如催化和传感。”

世界各地的3D打印用户继续在创新过程中应对机械性能下降的挑战，许多用户在各种不同的项目中都取得了成功，从检查多孔性到研究生物相容性，再到使用热处理等不同技术。

a,b）ZM-BF的数码照片，具有可定制的几何形状和强大的机械稳定性。c）ZM-P，ZM-WB和ZM-BF的数码照片。d）代表性ZM-BF的低放大率SEM图像：顶视图，侧视图和横截面图。e-h）ZM-WB（e，g）和ZM-BF（f，h）的横截面的高放大率SEM图像和TEM图像。i）沸石焊接程序的示意图。