西北工业大学梅辉教授团队：面向先进光催化的3D打印组装技术！

来源：焊接科学

3D打印为制造用于制氢、化学合成和污染物降解的半导体光催化剂系统提供了优化途径。3D光催化剂正在从挤出成型和3D打印发展到3D打印透明陶瓷。经过对3D打印光催化剂的不懈探索，制造从纳米尺度、微米尺度到宏观尺度的精确尺寸的复杂3D结构被认为是光催化剂的重要方法，并引起了极大的科学兴趣。

为了记录3D打印光催化材料和系统的最新进展，近日，西北工业大学材料学院梅辉教授团队联合西安工程大学、香港城市大学在《Materials Today Nano》（中科院1区，Top，影响因子10.3）发表最新综述文章“3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis“，讨论了传统和最新的3D打印技术及其应用，特别是整体式光催化剂、LED反应器和微通道反应器。梅辉教授为通讯作者。

该综述强调了目前的主要成就以及剩余研究的挑战和目标。这项工作的重点是具有特征尺寸的几何和拓扑优化结构的设计和光催化性能。总结了各种3D打印方法，包括它们的材料要求、优点、缺点和典型用途。

图1.“光触媒-3D打印技术-3D打印结构”的系统图谱。

图2. (a)用LED灯照射的微通道光微反应器；（b）通过分子渗透，液体在水凝胶中的非连接通道之间传输。

图3. 通过SLA方法生产高透光率的镁铝尖晶石透明陶瓷：(a)尖晶石陶瓷的3D打印和后热处理过程示意图。(b) 尖晶石纳米粒子的 TEM 图像和粒度分布（插图）。（c）可打印尖晶石陶瓷浆料的流变行为，插图显示具有良好自保持能力的尖晶石陶瓷浆料的照片。(d–f) 印刷尖晶石透明原型的照片：透镜阵列 (d)、菲涅尔透镜 (e)、开尔文细胞微晶格 (f)。

结论与展望

在这篇综述中，作者讨论了传统3D打印技术和透明3D打印陶瓷及其在光催化反应器和材料中的应用，强调了它们的关键成就以及剩余的研究挑战和差距。3D打印是整体式光催化剂、LED反应器和微通道反应器最有希望的方法。根据3D反应器的形状，进一步开发仍需要更多研究：

(1) 对于整体式光反应器，复杂结构的计算机设计是提高其比表面积的关键。为了提高光反应器的光效率，高透明陶瓷和石英玻璃是构建自支撑整体式光催化剂的热点。然而，打印的YAG和Al2O3结构不适合形成具有高比表面积的复杂结构以吸收更多的光，打印的MgAl2O4的尺寸对于工业用途而言非常小，并且印刷的石英玻璃缺乏韧性。

(2) 对于LED反应器来说，计算机设计的LED分布和光路会影响附着光催化的效率。目前LED分布的设计还很原始。为了使光触媒获得合适的亮度并充分利用LED灯，需要讨论LED灯的分布。此外，还需要讨论光路。在合适的位置添加镜子可以提高光触媒的效率。另外，光纤是LED反应器的潜在器件。

(3) 对于微通道来说，通道图案和光辐照度是关键因素。需要注意光活性材料的设计及其在支撑结构上的沉积。

如图4所示，目标应用程序和区分功能可以识别3D打印方法的类型。需要注意的领域包括目标几何形状（例如多层或独立式）、基板类型、需要控制不同长度尺度的特征以及所需的组装分辨率。需要计算拓扑优化方法来通过复杂的结构来设计光分布、光路和透射率。放大的适用性、再现性和印刷成本也是重要因素。由于其他光催化剂载体不透明且失光严重，透明陶瓷和石英玻璃是制造进一步3D光催化剂的理想材料；通过允许低光照吸收，它们将引领制造3D打印光催化剂的新趋势。通过调整光催化剂和反应器的几何形状和尺寸，优化了光子和质量到活性点的传输。SLA和SLM是未来光催化应用的有前途的技术，因为它们的复杂产品结构具有高分辨率、刚性和韧性，可以优化质量和光利用的活性位点。

图4. 目标应用和区分功能可以识别3D打印方法的类型。

通讯作者

梅辉，西北工业大学材料学院教授，博导，国家万人计划领军人才，科技部创新推进计划人才、国家高层次青年人才、教育部新世纪优秀人才，主要开展陶瓷复材相关的吸波超材料、能源催化环保，超润滑、油水分离/超疏水、3D/4D打印、缺陷检测等研究，近年来主持或完成国家自然科学基金重点/面上、国家高技术863和国家重大专项等10余项国家级科研项目。获国家专利18项，著作3部，教材1部，皇家墨尔本大学Adv compe mater英文专著1部。第一作者发表AFM、ACS Nano 、JMCA、Carbon等期刊学术论文159篇，发表的单篇论文获得20万元顶级论文奖励。担任美国陶瓷协会会员，中国复材学会陶瓷基分会秘书长。国际期刊AM、AFM、ACS Nano、Small、Carbon、Corros Sci、Compos Sci Technol、J Am Ceram Soc等通讯审稿人。担任16次国际会议分会主席/组织者，4次大会秘书，25次特邀报告。

论文引用

Bai S, Mei H, Zhang M, et al. 3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis[J]. Materials Today Nano, 2023: 100385. https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2023.100385