隨著增材制造技術不斷拓展其在功能材料與能源催化領域的邊界，3D打印在高性能催化劑結構設計方面迎來了新突破。近日，西安交通大學李滌塵、田小永教授團隊聯合化工學院吳志強教授，成功研制出一種仿生超結構的3D打印鈣鈦礦催化劑，其在結構可控性、傳質效率和長期穩定性方面顯著優于傳統制造的粉體催化劑，相關成果以“3D-Printed Bioinspired Meta-Structural Perovskite Catalysts for Dry Reforming of CH4 and CO2”為題，發表于國際權威期刊Advanced Materials。
 

甲烷干重整（Dry Reforming of Methane, DRM）是一種將CH4和CO2等溫室氣體轉化為合成氣（CO和H2）的重要過程，是實現CO2資源高效利用與“碳中和”目標的關鍵路徑。西安交大研究團隊提出了一種新型催化劑構筑策略，通過氣壓-螺桿共擠出的3D打印技術，構建出多尺度孔隙梯度、結構可調、流道有序的仿生整體式催化劑。催化劑材料由LaFe0.5Ni0.5O3鈣鈦礦與擬薄水鋁石復合，經調控孔隙與材料分布，實現區域多峰孔徑結構（9.32 nm / 103.75 nm）。3D打印工藝實現了LFN含量梯度（11–35%）與流體路徑定制，催化劑比表面積達102.26 m2/g，抗壓強度達8.48 MPa，壓降大幅降低，達到了82.13%的CH4轉化率和 9.69 mmol/g的合成氣產量，催化效率較傳統粉末床提升10%。
 

借助計算流體力學（CFD）模擬，團隊系統研究了不同通道結構對壓降、流速分布及反應性能的影響。結果表明，3D@1-2 mm 和 3D@1-2-3 mm等分級通道結構表現出更優流動與催化特性。相較之下，雖然3D@0.5-1-2 mm結構提供更高表體積比，但壓降顯著上升，導致反應效率下降。研究還發現，引入結構梯度可增強反應效率，但并非總能提升傳質能力，需在“復雜性”與“反應效率”之間權衡。

 

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該催化劑在75次循環、50小時的DRM長期穩定性測試中表現出色。CH4轉化率維持在74%，合成氣產量為7.19 mmol·g-1，僅下降14.61%。催化劑結構完整，無明顯塌陷或燒結現象。在相同LFN負載條件下，LFN含量為23 wt%的3D打印超結構催化劑顯示出優異的催化性能：H2產率達69.83%，CO產率為57.83%，合成氣產量為8.42 mmol·g-1，遠超傳統LFN粉末催化劑（6.71 mmol·g-1）及常規貴金屬基催化劑，兼具性能與經濟性優勢。

 

通過原位漫反射紅外光譜（DRIFTS）測試，研究進一步驗證了該催化劑具備良好的協同氧化還原機制，能夠有效再生晶格氧并維持高效催化循環。這種性能提升源于3D打印超結構所實現的多尺度孔隙控制與流場定制化設計，有效促進了反應路徑與質量傳遞的耦合協同。該研究展示了材料科學、流體力學、能源催化與先進制造的深度融合，為未來高性能催化劑的結構設計提供了可復制的路徑。相關論文第一作者為西安交通大學機械工程學院助理教授霍存寶，通訊作者為田小永教授。論文作者還包括李滌塵教授、吳志強教授、胡準副教授、吳玲玲副教授，中石油石化院王寶杰主任、楊耀工程師，以及研究生吳樹旺、張榕江（西安泰金新能）、談磊、李可欣等。

論文鏈接：C. Huo, S. Wu, R. Zhang, Z. Wu, X. Tian, L. Tan, K. Li, Y. Yang, B. Wang, Z. Hu, L. Wu, D. Li, 3D-Printed Bioinspired Meta-Structural Perovskite Catalysts for Dry Reforming of CH4 and CO2. Adv. Mater. 2025, 2508078. https://doi.org/10.1002/adma.202508078

(責任編輯：admin)

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