中國科學(xué)院上海高等研究院3D打印制備車載甲醇重整制氫催化劑研究取得進(jìn)展

2021年12月，中國科學(xué)院上海高等研究院工程科學(xué)團(tuán)隊(duì)在3D打印技術(shù)制備車載甲醇重整制氫催化劑研究中取得進(jìn)展。

氫氣的高額運(yùn)輸儲存成本和低能量密度是氫動(dòng)力燃料電池汽車在市場上推廣應(yīng)用的阻礙之一。車載甲醇重整制氫可在不使用氫氣作為直接原料的情況下為燃料電池汽車供氫，為降低其燃料儲存成本和運(yùn)輸成本提供了有效路徑。傳統(tǒng)催化劑機(jī)械強(qiáng)度低，在車輛高速運(yùn)動(dòng)過程中床層易破碎從而影響催化劑活性，需開發(fā)一種高機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)保持高催化活性的催化劑制備技術(shù)。

據(jù)此，工程科學(xué)團(tuán)隊(duì)提出一種使用3D打印技術(shù)制備整體式催化劑，通過調(diào)控載體組成與煅燒溫度，改進(jìn)催化劑空間結(jié)構(gòu)等策略，開發(fā)出一種新型兼具高機(jī)械強(qiáng)度和高催化活性的3D打印催化劑制備方法。（圖1）

圖1 3D打印制備甲醇重整制氫催化劑

圖2 3D打印催化劑。(a)：DLP-3D 打印后的基底載體，(b)：浸漬干燥結(jié)晶后的樣品，(c)：煅燒后的樣品，(d)(e)：樣品的SEM圖像和原子力顯微鏡表面形貌

研究以光固化3D打印技術(shù)制備催化劑載體，結(jié)合低場核磁共振空間測試金屬離子分布，分析了3D打印氧化鋁多孔載體中機(jī)械強(qiáng)度、孔隙率與煅燒溫度組成的關(guān)系，揭示了多孔載體中金屬離子的擴(kuò)散效應(yīng)，同時(shí)開發(fā)了核磁成像定量測試金屬離子分布技術(shù)。通過干燥結(jié)晶煅燒方法，成功在高機(jī)械強(qiáng)度氧化鋁多孔載體上合成了銅鋅片層結(jié)構(gòu)活性組分層。通過改進(jìn)氧化鋁載體空間結(jié)構(gòu)，從而提高傳熱與傳質(zhì)效率降低床層壓降，進(jìn)而提高甲醇重整反應(yīng)催化效果。經(jīng)過對反應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化，單位質(zhì)量催化劑氫氣的時(shí)空產(chǎn)率達(dá)到536 mol/kgcat/h，超過目前報(bào)道的大部分同類型催化劑。同時(shí)，催化劑機(jī)械強(qiáng)度高，徑向壓潰強(qiáng)度達(dá)152.4 N/mm，是目前傳統(tǒng)顆粒催化劑的4倍，可適應(yīng)車載加速顛簸等情況。

該研究有助于推動(dòng)甲醇重整制氫技術(shù)在車載燃料電池等領(lǐng)域的發(fā)展，并為新型整體式催化劑的開發(fā)提供了新思路。

相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Energy Chemistry上。該研究得到中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、中科院科技網(wǎng)絡(luò)服務(wù)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金的資助。