同轴3D打印策略构建具有相互连接的蜂窝结构的基于分子筛的核-壳整体式催化剂

来源：化学与材料科学

构筑核壳结构催化剂能够增强NH3-SCR去除NOx的性能和稳定性，但是传统的核壳结构催化剂制备方法需要多个步骤，对合成条件非常苛刻的控制，催化剂的设计具有局限。

基于此，吉林大学于吉红院士团队首次报道了一种简单的同轴3D打印策略，以亲水非致密二氧化硅（SiO2）为壳，Cu-SSZ-13分子筛为核，构建了具有相互连接的蜂窝结构的基于分子筛的核-壳整体式催化剂。相关研究成果以“ Coaxial 3D Printing of Zeolite-based Core-shell Monolithic Cu-SSZ-13@SiO2 Catalysts for Diesel Exhaust Treatment“ 为题，近日在线发表于国际著名期刊《Advanced Materials》上。

作者利用同轴3D打印技术制备了Cu-SSZ-13@SiO2催化剂。采用Cu-SSZ-13分子筛（粒径约500 nm、Si/Al=4.6、Cu负载为3.9 wt.%）作为核材料，壳层材料为粒径约10 nm的SiO2。通过调节Cu-SSZ-13和SiO2、无机粘结剂（高岭土纳米管，HNTs）、有机粘结剂（羟丙基甲基纤维素，HPMC）和溶剂（去离子水和乙醇）的比例，制备出均匀性好、弹性优化、附着力高的印刷油墨。在沉积过程中，乙醇在室温下的快速挥发保证了壳层的固化。然后将单块石立即进行冻干，有助于保持多孔宏观结构。最后，在550 ℃下烧结6 h，去除有机添加剂，得到核-壳整体式催化剂。

图1. 3D-Cu-SSZ-13@SiO2整体式催化剂的制备与表征

图2.不同3D打印催化剂的形貌表征

图3. 3D-Cu-SSZ-13的表征

图4.催化性能

图5.同轴3D打印分子筛基材料的形貌与性能

对比Cu-SSZ-13单体受到界面扩散的影响，SiO2壳层增加了Cu-SSZ-13@SiO2上活性位点的可及性，在200-550 ℃和300000 cm3 g−1 h−1的条件下，NO转化率提高了10-20%。同时，较厚的SiO2壳层不仅抑制了脱Al和CuOx物种的形成，而且增强了催化剂的水热稳定性。此外，通过同轴3D打印可以实现其他具有代表性的以不同拓扑分子筛为壳、不同金属氧化物为核的整体式催化剂。该策略允许多种多孔材料直接集成，有助于灵活设计和制备具有定制功能的各种核-壳单片催化剂。


原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202302912