3D打印动态催化反应器-提高多相催化反应效率的新途径

近日，大连理工大学化工学院陶胜洋课题组利用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，极大提高了多相反应的催化效率。相关研究结果已发表在Advanced Materials Technologies 上。

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众所周知，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。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。

据悉，研究者一方面利用数字建模、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，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。