[发明专利]一种3D打印整体式催化剂的方法

说明书

一种3D打印整体式催化剂的方法，先将设计的整体式催化剂的三维模型针对不同的催化反应进行仿真，根据仿真效果对三维模型进行优化设计；然后将优化后的三维模型切片后导入螺杆挤出3D打印机中，对整体式催化剂的表面区域层采用催化活性组分浆料3D打印，对内部骨架区域采用陶瓷浆料3D打印；再将3D打印得到的整体式催化剂初坯进行恒温恒湿干燥；最后将整体式催化剂初坯进行高温烧结工艺，得到3D打印整体式催化剂；本发明能够充分发挥3D打印多材料打印、易与结构仿真紧密结合、能制备复杂多孔结构的优势，实现了复杂结构整体催化剂的一体化、低成本、快速制造。

技术领域

本发明属于快速成型整体式催化剂的制备技术领域，具体涉及一种3D打印整体式催化剂的方法。

背景技术

现有工业催化通常使用颗粒催化剂并以填料的形式填充于固定床反应器中，固定床反应器存在一些缺点，如床层压降大、传热传质效果差。整体式催化剂是由许多狭窄的平行通道整齐排列的一体化催化剂，与传统的颗粒状催化剂相比，整体式催化剂具有床层压降低、传质传热效果好以及催化效率高等优点，整体式催化剂主要适用于对传质传热要求较高的反应场合，如甲烷重整、乙烯一步制乙二醇、尾气脱硝、加氢脱硫等过程。

3D打印技术可以与计算机仿真、结构设计紧密结合，精确地制造需要多种材料一体成型的、具有复杂结构和优化性能的催化剂，使用3D打印工艺可以避免传统制备方法所需的复杂制造工艺，降低催化剂制造的成本，传统工艺难以实现同一零件不同部位采用不同材料打印的要求。直写成型技术(DIW)是3D打印技术的一种，具有强大的材料兼容性、较高的打印精度，这为3D打印一体化成型整体式催化剂提供了可能，这对催化剂的工业应用至关重要。

目前已有一些3D打印整体式催化剂的先例，中国专利(申请号202010167140.3，名称：一种3D打印整体式复合结构催化剂及其制备方法和应用)是使用激光熔覆工艺进行催化剂载体及活性组分粉末的烧结，只适用于金属基的催化剂的制备，后续还需要碱溶液溶解载体，工艺复杂；中国专利(申请号201911261246.3，名称：一种基于3D打印技术的仿生结构整体型催化剂的制备方法)重点关注于仿生结构的制备、降低催化剂的压降，无法实现不同部位不同材料的催化剂一体成型；中国专利(申请号201811166564.7，名称：一种3D打印技术制备整体式分子筛块体的方法)重点关注于分子筛块体的制备，无法实现不同部位不同材料的催化剂一体成型，成本较高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种3D打印整体式催化剂的方法，能够充分发挥3D打印多材料打印、易与结构仿真紧密结合、能制备复杂多孔结构的优势，实现了复杂结构整体催化剂的一体化、低成本、快速制造。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种3D打印整体式催化剂的方法，包括以下步骤：

1)将设计的整体式催化剂的三维模型针对不同的催化反应进行仿真，根据仿真效果对整体式催化剂的三维模型进行优化设计；

2)将步骤1)优化后的整体式催化剂的三维模型切片后导入螺杆挤出3D打印机中，对整体式催化剂的表面区域层采用催化活性组分浆料3D打印，对整体式催化剂的内部骨架区域采用陶瓷浆料3D打印，得到整体式催化剂初坯；

3)将步骤2)3D打印得到的整体式催化剂初坯进行恒温恒湿干燥；

4)将步骤3)恒温恒湿干燥后的整体式催化剂初坯进行高温烧结工艺，得到3D打印整体式催化剂。

所述的步骤1)中仿真的软件为COMSOL、ANSYS等，催化反应为甲烷重整、尾气脱硝、加氢脱硫等，设计的三维模型为互联多孔、仿生结构等的多孔模型，探索不同的催化剂模型结构对催化反应结果的影响，催化剂模型结构包括孔道结构、孔径大小、壁厚等。