Chem. Rev.：3D打印结构材料吸附和催化应用的最新进展

兔兔

2021-05-07

多孔固体以吸附剂和催化剂的形式在各种重要的工业化工、能源和环境过程中起着至关重要的作用。将它们形成结构化配置是在工业规模上扩大规模和成功实施的关键一步。增材制造，也被称为3D打印，已经成为形状工程多孔固体和制造可扩展配置的宝贵平台，用于各种分离和反应应用。然而，将多孔材料制成自支撑结构会极大地影响其性能，从而影响其操作过程的效率。有鉴于此，密苏里科技大学Ali A. Rownaghi、Fateme Rezaei等人综述了吸附和催化领域的最新进展和当前挑战，以更好地指导形状工程固体材料的未来发展方向，并更好地控制3D打印吸附剂和催化剂的组成、结构和性能。

本文要点：

1）对于3D打印吸附剂和催化剂，在过去几年中，在可调物理化学性能的几何复杂支架定制方面取得了重大进展。在将3D打印作为整体生产的工业技术实施之前，还有四个障碍需要解决。首先，迄今为止，使3D打印技术完全自动化的努力非常有限。例如，虽然可以用最少的用户交互来制造小型支架，但目前还没有一个系统可以同时3D打印数千个支架。为了克服这一障碍，需要开发新的控制系统，可以监测浆料流变、浆料加载、打印速度和挤出压力等变量。

2）第二，要想成为可行的商业技术，就必须提高3D打印的多功能性。对于MOFs和COFs这样的材料来说尤其如此，因为打印流变学目前必须根据具体情况进行专业修改，以保持晶体结构和最大限度地提高可打印性，这需要大量的实践经验和知识。即使是沸石和硅酸盐，它们能产生更好的剪切稀释行为，仍然存在浆料致密化的问题，即所谓的“有利的流变特性”在各个材料亚种之间可能有很大的差异。为了解决这一问题，开发膏体配方的新方法可能是值得的。例如，与其直接打印MOFs或COFs，不如研究前驱体3D打印，因为在打印步骤后有协调活性物种的明显潜力。

3）第三，通过3D打印可能实现的材料加载尚未达到挤出和造粒的水平，因为无论使用哪种材料，后两种方法都可以生产100％纯的无粘合剂的颗粒和小珠。尽管这已经完成了几次，但该领域的报告却极为匮乏，并且仅限于几种材料。这有可能需要开发一种新的打印方法，因为惰性硅酸盐几乎总是必要的，以形成可打印的糊状，并且不能从最终的支架中移除，否则会导致倒塌。

4）第四，关于3D打印支架在循环过程中动力学特性的研究还很少。由于打印支架的传质被反复证实是由分子扩散而不是薄膜转移驱动的，因此打印支架的吸附和催化过程的动力学必然会与挤压支架的动力学不同。在这一领域取得进展的少数报告中，研究仅限于单一的突破性实验，尽管发现的原理与连续过程有关，但它们不能被认为是进行循环实验的替代品。因此，应在3D打印吸附剂支架上进行压力、温度或真空摆动吸附实验，或两者的任意组合，并在催化剂支架上进行动力学建模，以便在规模化应用中更好地检验其相对于传统制造的接触器的性能。

Shane Lawson et al. Recent Advances in 3D Printing of Structured Materials for Adsorption and Catalysis Applications. Chem. Rev. 2021.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00060.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.1c00060