• 分类：行业动态
• 发布时间：2024-04-26 18:00
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【概要描述】近日，南京航空航天大学材料科学与技术学院贾文宝教授团队在《Journal of the European Ceramic Society》上发表题为Novel ceramic supports for catalyst with hierarchical pore structures fabricated via additive manufacturing-direct ink writing的研究论文，使用直接墨水书写技术，与原位生长的晶须相结合，促进了3D打印陶瓷催化剂载体-硼酸铝多孔陶瓷(ABPCs)的发展。

 

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0955221924002887

 

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研究背景






多孔陶瓷具有孔隙率高、化学性质稳定、比表面积大、体积密度小、导热性低以及耐高温耐腐蚀等优良性能，在冶金、生物、能源、环保等领域有着众多应用。其制备方法主要有发泡造孔法、溶胶-凝胶法、增材制造法以及乳液或泡沫模板法。在这些方法中，增材制造被认为是制造复杂几何形状多孔陶瓷的理想方法。






图文解析






在本研究中，我们采用原位反应和DIW相结合的方法制备了具有高阶孔结构的硼酸铝品须多孔陶瓷。通过调节分散剂、增稠剂用量、pH值、水的添加量等因素，优化浆料的流变性，特别是粘弹性。其次，利用流场模型研究了打印参数和浆料流变性对打印预成型结构的影响。对ABPCs的相组成、微观结构、容重、表观孔隙常和力学性能进行了详细的讨论。然后系统研究了ABPCs的比表面积和孔径分布。重要的是，ABPCs作为高性能催化剂载体的潜力得到了证明。

在直接墨水书写技术中，油墨的特性至关重要，油墨的均匀分布对打印样品的质量和精度影响很大。图1展示了分散剂(FS20)用量对油墨粘度的影响。将添加FS20的料浆与不添加FS20的油墨进行比较，可以明显看出前者的粘度明显降低，随着FS20的添加量从0.1wt%增加到0.4wt%，油墨的粘度先降低后升高，在FS20添加量为0.2wt%时达到最低粘度。这是因为适量的FS20可以吸附在粉末颗粒表面，增强油墨中颗粒之间的静电相互作用和空间斥力。这促进了分散并降低了粘度。然而，过量的FS20会导致油墨中FS20的官能团之间形成电刷状结构，导致粘度增加。

 

图1 分散剂(FS20)用量对油墨粘度的影响

图2显示了在不同温度下烧结后ABPCs细丝的表观形貌。由图可知，其表面存在大量的晶须，可以认为是硼酸铝晶须，随着烧结温度的升高，硼酸铝的晶粒尺寸逐渐增大，说明较高的烧结温度促进了硼酸铝晶粒的长大。另外，当烧结温度从1000℃升高到1100℃时，硼酸铝晶须的长度也随之增加，晶须的形貌为针状，进一步提高烧结温度，硼酸铝晶须均匀长大，形成较大的柱状晶，晶须的长径比随烧结温度的升高而减小。    

 

图2 不同温度下ABPCs细丝烧结后的SEM图像

图3显示了在不同温度下烧结后ABPCs细丝的孔径分布。据观察，所有的ABPCs样品，在不同的温度下烧结，均表现出分级孔结构。随着烧结温度的升高，ABPCs细丝的中值孔径（体积）增加。当烧结温度为1000℃或1100℃时，主要由亚微米级的孔隙组成，在1200℃以上，主要由微米级的孔组成，随着烧结温度的升高，亚微米级孔的比例逐渐减小，而微米级孔的比例逐渐增大。

 

图3 在不同温度下烧结后ABPCs的孔径分布    






研究结论






本研究探索了一种以硼酸铝为载体，采用原位生长晶须的方法制备新型催化剂陶瓷载体的新方法。DIW 3D打印工艺允许产生大孔，而原位晶须有助于在挤出的细丝上形成亚微米或微米级的孔。