发动机中甲烷低温氧化活性增强的3D打印催化转化器

供稿人：霍存宝 田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

催化转化器由陶瓷或金属基底、催化活性组分组成，广泛应用于各种环保应用中，如CO和碳氢化合物氧化、消除挥发性有机化合物（VOCs）。在汽车工业中，用于废气处理的传统催化剂载体具有简单的整体蜂窝结构。整体式载体的孔道尺寸和结构对整体性能起着重要的作用，具有低压降、良好的传热和传质速率。3D打印提供的多功能性大大增加了通道结构的范围和复杂性，这是使用传统挤压方法无法获得的。

因而，曼彻斯特城市大学的研究人员采用直写成型（DIW）工艺制备了具有非线性通道结构的催化转化器，并模拟了双燃料发动机中的气流流动，并进行了甲烷氧化实验。以6:1的比例将水和乙二醇（固体重量的20%）倒入堇青石粉末中混合制备陶瓷浆料，之后DIW 3D打印整体式载体。然后将沸石、γ-Al2O3等载体材料和贵金属Pd、Pt通过水洗方式负载在堇青石载体上，制备催化剂。

图1. 3D打印陶瓷基板的结构和横截面图

该设计在相邻层之间使用了简单的重复角度偏移。所有3D打印整体式载体均具有机械稳定性，并且在使用复合催化剂进行涂层后，显示出比商用蜂窝基板更高的甲烷氧化催化活性。传统商业催化剂载体的甲烷转化率为12.6%，而本文中3D打印制备的载体（打印的层与层偏移角度为90°时）的甲烷转化率最高为89.6%。

图2. 具有不同层旋转偏移（烧结后）的3D打印基板

图3. 结构对甲烷转化率的影响

催化增强归因于湍流、传质效应和比表面积的增加。计算流体力学（CFD）分析证实，3D打印基板上甲烷转化率较高是由于其较高的湍流动能。结果表明，具有不规则结构的基质由于具有较高的湍动能而具有较高的转化率。研究结果证明3D打印是设计催化转化器的合适方法，其反应活性比目前可用的商业载体高。这一发现对新型催化材料的设计和潜在的大规模生产具有指导意义。

图4. 通道内的湍流动能矢量剖面

参考文献：
Hajimirzaee S, Doyle A M. 3D printed catalytic converters with enhanced activity for low-temperature methane oxidation in dual-fuel engines[J]. Fuel, 2020,274:117848.