[發明專利]一種3D打印整體式催化劑的方法

有效

• 申請號: 202011013321.7
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112058317B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 田小永;霍存寶
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B01J37/00
• 分類號: B01J37/00;B01J37/08;B01J35/10;B33Y10/00;B33Y70/10;B33Y80/00;C04B35/10;C04B35/14;C04B35/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種3D打印整體式催化劑的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）將設計的整體式催化劑的三維模型針對不同的催化反應進行仿真，根據仿真效果對整體式催化劑的三維模型進行優化設計；

2）將步驟1）優化后的整體式催化劑的三維模型切片后導入螺桿擠出3D打印機中，對整體式催化劑的表面區域層采用催化活性組分漿料3D打印，對整體式催化劑的內部骨架區域采用陶瓷漿料3D打印，得到整體式催化劑初坯；

3）將步驟2）3D打印得到的整體式催化劑初坯進行恒溫恒濕干燥；

4）將步驟3）恒溫恒濕干燥后的整體式催化劑初坯進行高溫燒結工藝，得到3D打印整體式催化劑；

所述的步驟1）中仿真的軟件為COMSOL或ANSYS，催化反應為甲烷重整、尾氣脫硝或加氫脫硫，設計的三維模型為互聯多孔、仿生結構的多孔模型，探索不同的催化劑模型結構對催化反應結果的影響，催化劑模型結構包括孔道結構、孔徑大小和壁厚；

所述的步驟2）中在鋪覆有平整的疏水薄膜的打印底板上3D打印整體式催化劑，疏水薄膜為聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）疏水材料制成的薄膜；

所述的步驟2）中整體式催化劑的表面區域層為整體式催化劑外表面向內0.5~1mm厚的區域，內部骨架區域為表面區域層向內的所有區域；

所述的步驟3）中的恒溫恒濕干燥工藝為：將3D打印的整體式催化劑初坯與底板一起放入恒溫恒濕環境中，恒溫溫度為25℃，相對濕度選擇范圍為80~92%，干燥6小時，使整體式催化劑初坯與疏水薄膜分離；對整體式催化劑初坯繼續進行上述的恒溫恒濕干燥工藝，干燥12~15小時；將恒溫溫度設置為25℃，相對濕度設置為40%，繼續恒溫恒濕干燥3小時；將恒溫恒濕干燥后的整體式催化劑初坯放入烘箱中，溫度設置為100℃，干燥10~20分鐘。

2.根據權利要求1所述的一種3D打印整體式催化劑的方法，其特征在于：所述的步驟2）中催化活性組分漿料的組成為活性組分30~60wt%，助擠劑0~2wt%，粘結劑10~20wt%，分散劑30~60wt%；

所述的活性組分為分子篩、金屬、金屬鹽的一種或多種混合，分子篩為鈦硅分子篩、ZSM-5或4A，金屬為鉑、鈀或鎳，金屬鹽為硝酸銀或硝酸鈀；助擠劑為田菁粉；粘結劑為甲基纖維素、瓜爾豆膠、硅溶膠或鋁溶膠；分散劑為聚乙二醇或蒸餾水。

3.根據權利要求1所述的一種3D打印整體式催化劑的方法，其特征在于：所述的步驟2）中的陶瓷漿料的組成為陶瓷粉末20~70wt%，粘結劑0~20wt%，膠溶劑0~6wt%，助擠劑0.1~2wt%，分散劑29.9~60wt%；

所述的陶瓷粉末為擬薄水鋁石、氧化鋁、氧化硅、氧化鎂的一種或多種混合，粘結劑為甲基纖維素、瓜爾豆膠、膨潤土、硅溶膠或鋁溶膠，膠溶劑為稀硝酸或稀醋酸，助擠劑為田菁粉，分散劑為聚乙二醇或蒸餾水。

4.根據權利要求1所述的一種3D打印整體式催化劑的方法，其特征在于，所述的步驟2）中3D打印參數設置為：料筒進氣壓力0.4~1MPa，打印速度10~50mm/s，螺桿轉速10r/min~50r/min，打印噴嘴直徑0.4~1.4mm，打印表面區域層時，陶瓷漿料停止進料；打印內部骨架區域時，催化活性組分漿料停止進料。

5.根據權利要求1所述的一種3D打印整體式催化劑的方法，其特征在于，所述的步驟4）中的高溫燒結工藝為：將恒溫恒濕干燥后的整體式催化劑初坯在高溫燒結爐中進行焙燒工藝，以4℃/min的升溫速度升至400~800℃，保溫3~8小時，隨爐冷卻至室溫。

6.根據權利要求1所述的一種3D打印整體式催化劑的方法，其特征在于：所述的步驟4）中最終所得的3D打印整體式催化劑的壓碎強度為120~190N/cm，比表面積為150~245m²/g。