西安交大CEJ：3D打印整體式TS-1催化劑實現(xiàn)一步制備乙二醇的高效催化

2022年9月27日，南極熊獲悉，西安交通大學研究團隊與中國石油天然氣集團有限公司蘭州化工研究中心通過結(jié)合反應器流場模擬CFD和3D打印技術(shù)，一步制備了一種具有鸚鵡螺仿生螺旋多孔結(jié)構(gòu)、最優(yōu)多級流道的整體式TS-1催化劑，實現(xiàn)了乙烯一步氧化為乙二醇的高效催化，解決了傳統(tǒng)催化劑低效、難以分離和回收的難題。

與粉末、顆粒和擠出物等傳統(tǒng)催化材料相比，在催化過程中使用整體式催化劑具有操作簡單、分離方便、可重復使用性好等顯著優(yōu)勢。設計結(jié)構(gòu)化整體催化劑，使催化劑精確分布在孔隙中，并匹配擴散和反應時間尺度，是快速實現(xiàn)過程強化的實施方案。整體催化劑通常具有更復雜的交聯(lián)孔、較高的傳質(zhì)和傳熱效果、適合的壓力和活性位點分布，在具有惡劣反應環(huán)境、高流速和難以液固分離的化學反應中具有巨大的應用潛力。乙二醇（EG）的傳統(tǒng)制備工藝的乙烯的有效利用率低，產(chǎn)物分離的能耗高。因此，制備能夠?qū)崿F(xiàn)乙烯直接一步催化氧化成EG的整體催化劑具有優(yōu)異的市場價值。3D打印可以快速制造傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的具有復雜結(jié)構(gòu)的整體式催化劑。3D打印可以調(diào)整流道的尺寸和長度，控制催化劑本體的層高和孔特征，從而精確控制反應的本體停留時間、擴散長度、壓降和催化材料特性。

圖1.具有仿生螺旋結(jié)構(gòu)的3D打印整體式TS-1催化劑的設計方法與制備工藝流程

通過模擬具有良好傳質(zhì)和能量交換性能的天然宏微孔結(jié)構(gòu)，如葉脈、鸚鵡螺螺旋結(jié)構(gòu)，在微孔（<2 nm）、中孔（2-50 nm）和大孔（>50 nm）的多級尺度上設計了結(jié)構(gòu)化整體催化劑。該團隊結(jié)合計算流體動力學（CFD）分析，驗證了在乙烯一步氧化為乙二醇的催化反應中，不同通道偏移角、軸向和徑向通道尺寸對3D打印整體式TS-1催化劑催化性能的影響?？椎榔?0°、側(cè)孔高度1.2mm、軸向孔間距1.38mm的3D打印整體TS-1催化劑具有優(yōu)異的壓碎強度（135.11N/cm）和最優(yōu)的催化效率（EG的產(chǎn)率達到82.7%，過氧化氫的利用率達到85.3%）。此外，3D打印TS-1整體式催化劑在5次重復使用循環(huán)中性能基本沒有衰減，具有良好的循環(huán)催化穩(wěn)定性。

圖2.具有不同的通道偏移角（0°、15°、30°和90°）的3D打印整體TS-1和流場模擬圖

圖3.具有不同通道偏移角（0°、15°、30°和90°）的3D打印整體TS-1的催化反應結(jié)果

相關(guān)研究成果以“3D printing of hierarchically porous monolithic TS-1 catalyst for one-pot synthesis of ethylene glycol”為題發(fā)表在化工領(lǐng)域著名期刊《Chemical Engineering Journal》（IF:16.744）上，論文第一作者是西安交通大學博士研究生霍存寶，通信作者是西安交通大學田小永教授。

西安交通大學研究團隊與中石油蘭化研究院合作，致力于多孔陶瓷載體與整體式催化劑3D打印技術(shù)、工藝及裝備的研發(fā)，在石油化工、碳吸附中和等領(lǐng)域開展大量應用研究，目前3D打印催化劑產(chǎn)品已在中石油蘭化研究院完成中試驗證。本研究成果獲得陜西省秦創(chuàng)原春種基金投資，開展產(chǎn)業(yè)化應用推廣，成立陜西斐帛思凱科技發(fā)展有限公司，創(chuàng)新提出“3D打印催化劑工廠”理念，以“創(chuàng)新多孔陶瓷、整體式催化劑制造，助力實現(xiàn)碳中和、碳達峰”為發(fā)展思路，專注于高性能功能陶瓷、整體式吸附劑與催化劑3D打印裝備開發(fā)與技術(shù)服務，為石油化工、環(huán)境凈化、航空航天等領(lǐng)域提供功能陶瓷、整體式催化劑與吸附劑的低成本高效制造解決方案。

相關(guān)論文及鏈接：
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