3D打印金属支撑螺旋结构Ni/Al2 O3 催化剂在CO2 甲烷化反应中的高效热管理与催化性能研究

为解决CO2 甲烷化反应中高热释放与气体高空间速度导致的传热传质难题，研究人员开发了基于3D打印铝镁硅合金(AlSi10Mg)的螺旋结构(gyroid)Ni/Al2 O3 催化剂。通过选择性激光熔融(SLM)和浸渍涂覆技术，实现了16.6 wt%的高负载量，在400°C下获得77.6%的CO2 转化率和97.7%的CH4 选择性，60小时稳定性测试显示优异抗烧结性能。该研究为强放热反应催化剂设计提供了新思路。

　　

随着全球碳排放问题日益严峻，CO₂
甲烷化（又称Sabatier反应）作为碳循环利用的关键技术备受关注。该反应可将CO₂
转化为清洁燃料CH₄
，但其强放热特性（ΔH° = -165 kJ/mol）导致传统催化剂易发生烧结失活，且高气速条件下传热传质受限。目前工业常用镍基催化剂（Ni/Al₂
O₃
）虽成本低廉，但粉末或颗粒状催化剂存在压降大、热导率低等问题。针对这些挑战，阿联酋研究团队创新性地将3D打印技术与催化剂工程相结合，开发了具有独特螺旋拓扑结构的金属支撑催化剂。

研究人员采用选择性激光熔融(SLM)技术制备AlSi10Mg合金螺旋骨架（3DAL），通过浸渍涂覆法负载15% Ni/Al₂
O₃
活性组分。借助X射线显微术(XRM)确认73%孔隙率，TEM显示12-15 nm镍颗粒均匀分散。H₂
-TPR证实涂层样品具有更多易还原NiO物种，BET测得29 m²
/g比表面积。

3.1 催化剂特性
XRD显示γ-Al₂
O₃
载体成功负载NiO和NiAl₂
O₄
尖晶石相，还原后出现金属Ni(111)晶面。反应后TEM显示3D打印样品Ni颗粒尺寸仅从12.6 nm增至13.4 nm，而粉末催化剂发生明显烧结，验证了金属支撑的热管理优势。

3.2 TPR和化学吸附分析
H₂
化学吸附显示3D打印催化剂反应后Ni分散度仅从4.08%降至3.05%，优于粉末催化剂（4.58%→2.89%）。CO₂
-TPD显示涂层样品具有更丰富的碱性位点分布，有利于反应物吸附活化。

3.3 CO₂
甲烷化测试
在250-500°C温度区间，3D打印催化剂在400°C时CO₂
转化率(77.66%)和CH₄
选择性(97.68%)均优于粉末样品。动力学研究表明其活化能(75.13 kJ/mol)低于粉末催化剂(81.66 kJ/mol)，TOF值更高，证实传质优势。60小时稳定性测试中性能衰减<2%，归因于铝基合金(>100 W/m·K)的高导热性有效抑制热点形成。

该研究通过3D打印技术实现了催化剂结构-性能的精准调控，螺旋拓扑结构提供31 cm²
/cm³
的高比表面积，金属骨架则解决了传统催化剂的热管理难题。相比Danaci等人报道的平行通道结构，螺旋构型使CO选择性降低约30%，在25,000 ml/g·h的高空速下仍保持近80%转化率。这种"结构-材料-功能"一体化设计理念，为强放热反应催化剂开发提供了新范式，对推动碳中和技术产业化具有重要意义。论文发表于《Journal of CO₂
Utilization》，通讯作者Kyriaki Polychronopoulou教授指出，该方法可扩展至其他放热反应体系，未来将通过多尺度模拟进一步优化孔道结构。