2022年9月27日，南极熊获悉，西安交通大学研究团队与中国石油天然气集团有限公司兰州化工研究中心通过结合反应器流场模拟CFD和3D打印技术，一步制备了一种具有鹦鹉螺仿生螺旋多孔结构、最优多级流道的整体式TS-1催化剂，实现了乙烯一步氧化为乙二醇的高效催化，解决了传统催化剂低效、难以分离和回收的难题。
与粉末、颗粒和挤出物等传统催化材料相比，在催化过程中使用整体式催化剂具有操作简单、分离方便、可重复使用性好等显著优势。设计结构化整体催化剂，使催化剂精确分布在孔隙中，并匹配扩散和反应时间尺度，是快速实现过程强化的实施方案。整体催化剂通常具有更复杂的交联孔、较高的传质和传热效果、适合的压力和活性位点分布，在具有恶劣反应环境、高流速和难以液固分离的化学反应中具有巨大的应用潜力。乙二醇（EG）的传统制备工艺的乙烯的有效利用率低，产物分离的能耗高。因此，制备能够实现乙烯直接一步催化氧化成EG的整体催化剂具有优异的市场价值。3D打印可以快速制造传统工艺无法实现的具有复杂结构的整体式催化剂。3D打印可以调整流道的尺寸和长度，控制催化剂本体的层高和孔特征，从而精确控制反应的本体停留时间、扩散长度、压降和催化材料特性。
图1.具有仿生螺旋结构的3D打印整体式TS-1催化剂的设计方法与制备工艺流程
通过模拟具有良好传质和能量交换性能的天然宏微孔结构，如叶脉、鹦鹉螺螺旋结构，在微孔（<2 nm）、中孔（2-50 nm）和大孔（>50 nm）的多级尺度上设计了结构化整体催化剂。该团队结合计算流体动力学（CFD）分析，验证了在乙烯一步氧化为乙二醇的催化反应中，不同通道偏移角、轴向和径向通道尺寸对3D打印整体式TS-1催化剂催化性能的影响。孔道偏移30°、侧孔高度1.2mm、轴向孔间距1.38mm的3D打印整体TS-1催化剂具有优异的压碎强度（135.11N/cm）和最优的催化效率（EG的产率达到82.7%，过氧化氢的利用率达到85.3%）。此外，3D打印TS-1整体式催化剂在5次重复使用循环中性能基本没有衰减，具有良好的循环催化稳定性。
图2.具有不同的通道偏移角（0°、15°、30°和90°）的3D打印整体TS-1和流场模拟图 图3.具有不同通道偏移角（0°、15°、30°和90°）的3D打印整体TS-1的催化反应结果
相关研究成果以“3D printing of hierarchically porous monolithic TS-1 catalyst for one-pot synthesis of ethylene glycol”为题发表在化工领域著名期刊《Chemical Engineering Journal》（IF:16.744）上，论文第一作者是西安交通大学博士研究生霍存宝，通信作者是西安交通大学田小永教授。
西安交通大学研究团队与中石油兰化研究院合作，致力于多孔陶瓷载体与整体式催化剂3D打印技术、工艺及装备的研发，在石油化工、碳吸附中和等领域开展大量应用研究，目前3D打印催化剂产品已在中石油兰化研究院完成中试验证。本研究成果获得陕西省秦创原春种基金投资，开展产业化应用推广，成立陕西斐帛思凯科技发展有限公司，创新提出“3D打印催化剂工厂”理念，以“创新多孔陶瓷、整体式催化剂制造，助力实现碳中和、碳达峰”为发展思路，专注于高性能功能陶瓷、整体式吸附剂与催化剂3D打印装备开发与技术服务，为石油化工、环境净化、航空航天等领域提供功能陶瓷、整体式催化剂与吸附剂的低成本高效制造解决方案。
相关论文及链接：
Cunbao Huo, Xiaoyong Tian, Yang Nan, Zhengping Qiu, Qi Zhong, Xiaokang Huang, Dichen Li, 3D printing of hierarchically porous monolithic TS‐1 catalyst for one-pot synthesis of ethylene glycol [J]. Chemical Engineering Journal, 2022(450): 138259. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138259
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