3D打印动态催化反应器-提高多相催化反应效率的新途径

随着世界能源与环境问题的日益突出,人们对传统的化学合成工业提出了越来越高的要求。开发新技术用以提高反应效率,减少分离过程带来的能耗和污染是目前亟待解决的重要问题。在化工生产中,固体催化剂参与的多相催化反应是一种非常重要的反应过程,被广泛的用以生产各种有机化学品。在多相催化反应中,分子水平的反应过程和分子群水平的物质传递过程都是围绕着多相界面进行的。因此,对界面间的物质扩散和反应过程进行协同控制,就可以实现反应在宏观水平上的高效转化。

在传统的多相反应中,反应器和催化剂是分立的两个部分,反应器主要起到承载作用。同时,反应器的结构和催化剂的填装方式会对流体的运动产生影响,从而影响物质传递与扩散。催化剂尺寸或装填不均会导致反应器内的温度,浓度和压力分布不均,从而产生多种副产物。而后人们发展了结构催化剂,将催化剂制成具有多通道的反应器,在降低物质传输压力的同时增大了反应物与催化剂的接触面积。最近,随着3D打印技术的兴起,研究人员利用3D打印技术开发了多种结构催化剂,应用于不同的反应领域。然而,目前的研究主要局限于对打印的静态反应器的催化活性进行研究,流体在反应器内仍然依靠外界压力驱动进行被动混合,反应器与流动的反应物间缺乏充分的相互作用。这与传统结构催化剂无本质区别,并没有充分体现3D打印技术制造高性能结构的先进性。同时,即使采用3D打印技术,微小的反应通道依然难以制造,成功率低,且易被阻塞。作为传统的流体混合方式,搅拌反应器可以有效的消除反应体系中的温度和浓度梯度,降低反应的不均匀性。但是搅拌式反应器中的催化剂回收一直是难以解决的挑战。

大连理工大学化工学院陶胜洋课题组针对这些问题,利用3D打印技术和界面化学修饰手段制备了同时具有界面微结构和催化活性的动态搅拌式催化反应器。一方面研究者利用数字建模、计算结构力学和流体力学手段对搅拌器结构进行设计分析,使其能够在界面形成具有较强漩涡动能的区域,强化物质的传递和扩散。另一方面,研究者设计合成可聚离子液体对搅拌器进行化学修饰,赋予其离子交换性能,金属纳米粒子可通过离子交换和还原被负载到搅拌器上,从而得到具有催化活性的界面。该搅拌器将扩散与反应过程充分耦合在一起,极大提高了多相反应的催化效率。该研究团队利用此思路设计制造的具有棱柱界面结构和Pd催化活性的搅拌器,对硝基苯酚还原、Suzuki偶联和染料污水脱色反应都起到很好的催化效果,热过滤实验显示催化剂泄漏极低,并且在反应后搅拌器可以方便的从反应液中直接提拉分离出来,克服了常规搅拌反应中催化剂难以分离的问题。

动态催化搅拌器将数字设计与制造、有限元计算分析和界面化学修饰相结合,体现了现代数字信息技术与传统化学分子设计方法的高度交叉合作。这一过程简单可控、应用方便。并且3D打印技术也有将制造物体快速放大的优势,有望将这一催化反应器尺寸放大到满足实际生产的尺度。相信将3D打印与界面化学修饰相结合会成为制造用于多相催化反应器件的有力手段。相关结果发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201800515)上。

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