3D 打印 AlSi10Mg 周期性开孔结构上 Ni/CeO2和 Ni/CeO2-Al2O3复合涂层沉积：优化策略与性能突破

在结构化催化剂研究中，为解决催化层在 3D 打印金属 POCS 上沉积难题，研究人员开展 Ni/CeO2和 Ni/CeO2-Al2O3涂层研究。结果表明该策略可获均匀稳定涂层，且 Kelvin 结构在甲烷蒸汽重整中性能更优，为相关领域发展提供新思路。

　　在化学工程领域，结构化催化剂和反应器对于过程强化意义重大。其中，周期性开孔结构（POCS）因具有高度规则、设计灵活等优势，成为新型结构化催化剂的理想选择。然而，在将催化层沉积到 3D 打印的金属 POCS 上时，面临诸多挑战。例如，传统的涂覆技术难以在复杂几何形状的 POCS 上实现均匀且稳定的涂层沉积，且缺乏对 3D 打印 AlSi10Mg POCS 热处理影响的研究，这限制了结构化催化剂的性能提升与广泛应用。

为攻克这些难题，国外研究人员开展了深入研究。他们致力于优化涂层方法，探究影响涂层质量和稳定性的因素，并评估不同 POCS 形态对催化性能的影响 。研究成果发表在《Applied Surface Science Advances》上，为该领域的发展提供了重要参考。

在研究中，研究人员采用了多种关键技术方法。通过激光粉末床（LPBF）融合技术制造 POCS，利用 X 射线衍射（XRD）、热重分析（TPR）、氦比重瓶法等对催化剂和 POCS 进行表征。同时，运用旋转流变仪研究浆料的流变行为，使用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDX）分析样品的形貌和成分。

下面来详细看看研究结果：

• 催化剂的化学物理表征：XRD 分析显示，制备的 7wt% Ni/CeO₂和 7wt% Ni/CeO₂–10wt%Al₂O₃催化剂均形成了萤石型 CeO₂。含氧化铝的样品衍射峰展宽，表明其纳米级成分较多。同时，Ni²⁺对 Ce⁴⁺的部分取代导致 CeO₂晶格收缩。H₂ TPR 分析表明，两种催化剂在 100 - 1000°C 均有多个氢消耗区域，对应不同镍物种的还原。Ni/CeO₂-Al₂O₃样品在 635°C 出现强峰，归因于与载体强结合的 NiO 还原，而 Ni/CeO₂样品仅显示低温峰，证实其存在大表面 NiO 簇。
• POCS 的表征：SEM 分析表明，LPBF 技术制造的 POCS 具有高度可重复性，但与 CAD 模型存在轻微偏差。He 比重瓶法测量结果显示，BCC 和 Kelvin 结构的 POCS 孔隙率和密度相似，表明结构设计是决定这些性质的主要因素。压力降测量表明，Kelvin 结构因其复杂的孔隙几何形状，压力降高于 BCC 结构，且涂层后两种结构的压力降均增加，Kelvin 结构更为明显。
• 浆料配方的流变行为：研究发现，水含量显著影响浆料的流变性能，增加水含量可降低浆料粘度，有利于浆料在结构支撑网络中的分布，但过多的水会降低涂层质量。含 Ni/CeO₂-Al₂O₃的浆料（SC2B）呈现牛顿流体行为，而含 Ni/CeO₂的浆料（SC2A）表现出剪切变稀行为。添加纳米级勃姆石氧化铝（Disperal P2?）的浆料（SC2C）也呈现牛顿流体行为，表明其有助于降低颗粒间相互作用，提高浆料的流动性。
• 热预处理和阳极氧化对 POCS 的影响：对 BCC AlSi10Mg 样品进行热预处理，发现 500°C 处理会导致金属结构明显降解，300°C 处理则无明显结构变化，且能生成薄氧化层，有助于提高粉末附着力。在此基础上进行阳极氧化处理，虽会进一步轻微降解结构，但能显著增加表面氧含量，增强催化层的附着力。
• 浆料涂覆和机械稳定性评估：通过浸涂 / 旋涂法在 POCS 上涂覆浆料，获得了约 15wt%（≈0.1 g cm^?3）的涂层负载。研究表明，浆料组成、催化剂配方、载体热处理、载体阳极氧化、底漆使用、载体几何形状和 POCS 喷砂预处理等因素均会影响涂层质量和稳定性。含氧化铝的浆料（SC2B、SC2C）能显著提高涂层的机械稳定性，阳极氧化处理也有助于增强稳定性。此外，BCC 结构的涂层稳定性优于 Kelvin 结构，喷砂处理会降低涂层稳定性。
• POCS 形态对催化性能的影响：在 450°C 下进行甲烷蒸汽重整实验，结果表明，随着重量时空速度（WSV）增加，CH₄转化率下降。Kelvin 结构在所有 WSV 值下均表现出更高的 CH₄转化率和 H₂产量，这归因于其更大的内表面积、更均匀的孔网络和更好的传热性能，促进了反应物与催化剂的接触和反应进行。

研究结论和讨论部分指出，基于浸涂 / 旋涂技术的涂层方法可在 AlSi10Mg POCS 上获得均匀稳定的催化层，且无孔堵塞现象。通过优化关键参数，该方法可应用于更复杂的结构。涂层的附着力与多种因素相关，如锚固点的存在、载体的预处理、底漆的使用等，可实现 7.3wt% - 0.86wt% 的低重量损失（相对于负载层），这在实际应用中具有重要意义。此外，Kelvin 结构在甲烷蒸汽重整中表现出优异的性能，为低温下的催化反应提供了更高效的结构选择。这些研究结果为结构化催化剂的设计和制备提供了重要的理论依据和实践指导，推动了相关领域的发展。