功能陶瓷由于其自身具有的耐高溫、耐腐蝕、高硬度等特性在航天航空、生物醫學(xué)、精細化工等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注，然而功能陶瓷由于其特殊的高熔點(diǎn)、高脆性等特性，無(wú)法采用傳統加工技術(shù)制備出復雜、高精度結構。因此，結合增材制造技術(shù)快速構筑復雜結構陶瓷，實(shí)現其快速精密加工制造，并通過(guò)結構設計改善其性能在各個(gè)領(lǐng)域具有重要意義。

黃渤海實(shí)驗室精密制造材料與技術(shù)團隊聯(lián)合中國科學(xué)院蘭州化物所，在前期針對3D打印構筑超低收縮率陶瓷的研究基礎上（Ceramics International, 48 (2022) 10843-10851; Ceramics International, 48 (2022) 864-871），近期以快速高效制備復雜結構功能化陶瓷為目標，受生物體布利岡結構啟發(fā)，利用無(wú)機粘結劑為陶瓷骨架，采用3D打印技術(shù)制備了仿生布利岡結構的不同螺距角螺旋陶瓷催化器件，螺距角(α)分別為30 °、45°、60°、90°和布利岡螺旋狀催化陶瓷，用于甲苯蒸汽的催化性能研究，在200 °C下獲得的甲苯轉化率分別為92.51%、92.46%、90.67%、78.51%、95.52%，證明了不同結構設計對于催化效率影響具有重要意義。

圖1. 仿螳螂蝦布利岡結構的3D打印Pt/Al₂O₃陶瓷催化裝置及其制備過(guò)程

首先，采用DIW 3D打印技術(shù)，制備Pt修飾Al₂O₃陶瓷催化器件，其靈感來(lái)自于仿生螳螂蝦指節布利岡結構進(jìn)行角度轉換和氣流方向改變。采用Al₂O₃粉末、PMMA顆粒和無(wú)機AP粘結劑構建穩定、低收縮的陶瓷催化載體。然后用陶瓷煅燒去除PMMA顆粒，為負載Pt提供錨點(diǎn)。與微孔結構相比，通過(guò)去除PMMA來(lái)制備更大的孔道以負載更多的催化劑，從而可以替代復雜介孔結構的制備。

圖2. 3D打印偏移角度Al₂O₃陶瓷載體的整體結構和截面

利用3D打印技術(shù)在結構設計方面的優(yōu)越性，進(jìn)一步實(shí)現了各種角度的角度偏移陶瓷器件的制備。打印器件的結構由0 ° ~ 180 °螺旋結構逐層制作，垂直向上角度分別為30 °、45 °、60 °、90 °，每30 °偏移一次。在橫截面上，不同旋轉角度的絲狀結構留下不同的孔隙，仿生布利岡螺旋狀結構中更密集的絲狀結構允許更長(cháng)的氣體停留時(shí)間和湍流，從而提高催化活性。

圖3. 3D打印功能陶瓷對甲苯的催化性能研究

測試了甲苯蒸汽在不同旋轉角度的仿生布利岡結構陶瓷催化反應器中的氧化情況，以及陶瓷催化反應器循環(huán)使用5次后的催化活性。相比于粉末催化劑，整體式的陶瓷催化反應器不僅具有優(yōu)良的催化活性，并且具有優(yōu)良的重復使用性以及更好的水穩定性。此外，通過(guò)流體力學(xué)分析驗證了不同的結構中流體通過(guò)的靜態(tài)壓和湍流動(dòng)能分布，輔助驗證了結構設計對于催化性能的影響。綜上，本論文證明了3D打印結合仿生布利岡結構在創(chuàng )造性設計螺旋狀催化陶瓷方面的優(yōu)越性，這對未來(lái)仿生催化材料與器件的發(fā)展具有重要意義。

上述研究成果以“Catalytic oxidation properties of 3D printed ceramics with Bouligand structures”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。石河子大學(xué)博士生徐昕為該論文第一作者，王曉龍研究員、姬忠瑩助理研究員為論文通訊作者。

以上工作得到中國科學(xué)院蘭州化物所協(xié)同創(chuàng )新聯(lián)盟合作基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院“西部之光”交叉創(chuàng )新團隊等項目的支持。

供稿人 / 姬忠瑩

編   輯 / 黃秋平

審   核 / 王曉龍  鄒  強