采用低温3D打印技术制造的多孔微反应器，具备磁感应加热功能，可用于甲醇蒸汽重整制氢过程

《Journal of the Energy Institute》：Low-temperature 3D-Printed porous microreactors with magnetic induction heating for methanol steam reforming to hydrogen

甲醇蒸汽重整制备低温度3D打印多孔微反应器，采用硅溶胶不同pH值作为粘合剂，集成磁感应加热系统实现实时氢气生产。通过优化处理温度（300℃）和pH=7的硅溶胶组合，解决了载体制备与催化剂负载的温度不匹配问题，确保催化剂均匀分布，有效消除反应器内温度梯度，使甲烷转化率达100%，氢气选择性76.9%-78.5%，长期运行稳定性良好，为高效氢能生产提供新方法。

　　甲醇蒸汽重整（MSR）作为一种氢气生产技术，近年来受到广泛关注。氢气被视为一种零碳排放的清洁能源载体，被认为是实现全球能源经济转型的关键策略之一。然而，MSR技术在实际应用中仍面临诸多挑战，其中最主要的问题之一是反应器的热传导效率较低，以及氢气生成速率未能达到理想水平。为了应对这些问题，本研究提出了一种新型的低温度3D打印多孔微反应器的制造方法，并探讨了加工温度以及使用不同pH值的硅溶胶作为粘结剂对反应器性能的影响。此外，微反应器与磁感应加热系统相结合，实现了氢气的实时生成。这种方法不仅确保了催化剂的均匀分布，还克服了传统方法中载体制备与催化剂负载步骤之间温度差异过大导致催化剂在载体表面聚集的问题。

在MSR过程中，催化剂的性能直接影响反应效率和产物选择性。目前，许多研究集中在优化微反应器的结构和催化剂的负载方式，以提高热传导效率和反应速率。然而，现有的研究大多未能从结构设计的角度显著降低重整过程中氢气的温度梯度。只有当反应器直径减小到约300微米时，才能有效消除MSR过程中的温度梯度，从而缓解低温启动对甲醇转化效率和氢气生成性能的负面影响。尽管如此，这种微小尺寸的反应器在实际应用中仍然存在一定的技术障碍，难以大规模推广。因此，本研究提出了一种新的策略，重点在于优化加热方式，以消除MSR过程中的氢气温度梯度。

传统的电阻加热系统依赖于外部热源，通过传导方式将热量传递至反应器内部，这导致催化剂的加热不均匀，并在催化剂表面形成负温度梯度，进而加剧碳沉积问题。相比之下，电磁感应加热是一种非接触式的加热方式，能够实现快速、均匀的加热和精确的温度控制，展现出消除温度梯度的潜力。本研究采用电磁感应加热技术，与3D打印多孔微反应器相结合，不仅提高了热传导效率，还优化了催化剂的分布和负载方式，从而提升了整体的反应性能。

在材料选择方面，本研究使用了Fe?O?粉末（纯度≥99%，粒径5微米）和NiO粉末（纯度≥99.8%，粒径10微米）作为合成NiFe?O?粉末的原料。这些粉末在合成前均经过80°C的烘烤处理，以去除水分。此外，催化剂SCST-401由四川蜀泰化学技术有限公司提供，用于微反应器的催化辅助。在使用前，SCST-401被研磨并球磨成细粉，以确保其在反应器中的均匀分布。

在微反应器的制备过程中，首先使用硅溶胶作为粘结剂，通过3D打印技术构建出多孔微反应器的主体结构。随后，通过一系列的物理和化学分析，研究了微反应器加工温度以及不同pH值的硅溶胶粘结剂对其机械性能和催化剂分布的影响。研究结果表明，pH值的变化并未对微反应器的晶体相产生显著影响，但催化剂的特征峰并未被观察到，这可能与催化剂含量较低（约占微反应器总质量的7%）以及其结晶度较低有关。

在微反应器的性能测试中，结果表明，采用中性硅溶胶和300°C的低温处理，微反应器能够展现出最佳的催化性能。在MSR过程中，微反应器在260°C下实现了甲醇的完全转化，氢气选择性达到76.9%至78.5%之间，同时保持了较低的CO（<1.56%）和CH?（<0.08%）选择性。此外，微反应器表现出良好的稳定性和长期性能，在连续运行100小时后仍能保持88%的甲醇转化率。这些结果表明，该方法在消除催化剂负载与载体制备之间的温度差异方面具有显著优势，为低温、高效氢气生产技术的实际应用和工业化提供了新的思路和方法。

为了进一步验证微反应器的性能，本研究还对不同条件下的微反应器进行了XRD分析。XRD结果表明，不同pH值的硅溶胶粘结剂对微反应器的晶体结构没有明显影响，但催化剂的特征峰未能被检测到，这可能与催化剂含量较低以及其结晶度较低有关。这一发现为后续的催化剂优化提供了重要的参考依据。同时，研究还探讨了催化剂失活的原因，为提升催化剂的使用寿命和反应效率提供了理论支持。

在实际应用中，微反应器的制造和使用需要考虑多种因素，包括反应器的结构设计、催化剂的负载方式、加热系统的类型以及操作条件的优化。本研究提出的方法不仅能够提高反应器的热传导效率，还能确保催化剂的均匀分布，从而提升氢气生成的效率和选择性。此外，该方法还具有良好的稳定性和长期性能，为氢气生产技术的可持续发展提供了可靠的技术基础。

通过系统的实验和分析，本研究证明了低温3D打印多孔微反应器在MSR过程中的优越性能。该方法的成功应用不仅为氢气生产技术的改进提供了新的方向，也为相关领域的研究者提供了可借鉴的实验方案和理论模型。未来，随着技术的不断进步和材料的进一步优化，微反应器有望在更广泛的领域中得到应用，为实现绿色、低碳的能源转型做出更大的贡献。