触媒産業における3Dプリントの応用と展望

国民の環境意識の向上と持続可能な開発の概念の深化に伴い、化学生産分野で広く使用されている触媒とその担体の環境への配慮に大きな注目が集まっています。触媒の機能は、材料のミクロおよびメソスコピック構造だけでなく、マクロ構造にも影響されます。触媒の役割をよりよく果たすために、触媒システムの構造は一般的に複雑であり、従来の調製プロセスは複雑で、調製サイクルは長くなります。 3Dプリンティング技術の発達により、複雑な構造の部品を直接作製する方法が提供され、形状制御と特性制御の利点を活かして、触媒とその担体の作製に新たな可能性がもたらされます。

ポリマー材料は、3Dプリントで最も広く使用されている材料です。触媒として使用する場合、一般的には、有効成分を混合するか、3Dプリントされた部品の表面に有効成分を充填することによって調製されます。この製造方法は、さまざまな3Dプリント技術に適用できますが、ポリマー材料の特性上、調製された触媒システムは高温環境では使用できません。また、一部の研究者は、3Dプリントされたポリマー材料を一体型触媒のテンプレートとして使用し、次にテンプレートにアルミナスラリーを充填し、高温焼結によって樹脂を取り除き、最後に有効成分を充填して一体型触媒を調製します（図1を参照）。

図 1. モノリシック触媒プロセスの 3D プリントテンプレートの準備 (a、3D モデル設計、b、3D プリント触媒テンプレート、c、セラミックコロイド注入、焼結、有効成分の充填、d、テンプレートとの最終サイズの比較)
炭素材料は、比表面積が大きく、熱伝導性、電気伝導性に優れているため、理想的な触媒システム材料です。最近、一部の研究者は3Dプリントを利用して炭素材料を一体型触媒として製造しています。図2に示すように、フェノール樹脂を原料とし、DIW技術（ダイレクトインクライティング）を使用して複雑な構造の一体型触媒のキャリアの製造を完了します。次に、高温炭化と活性成分パラジウム（Pd）の充填を使用します。実験により、製造された触媒は比表面積が大きく、反応効率が高いことが示されています。

図2 Pd/Cモノリス触媒の3Dプリント作製とその微細構造の模式図[2]
さらに、金属およびその酸化物の3Dプリント技術は、触媒を製造するための新しい方法も提供します。SLMを使用して複雑な構造の触媒キャリアを直接製造し、その後、活性成分をロードすることで触媒の製造を完了できます。一部の研究者は、ゲル押し出しを使用して一体型触媒を製造しています。CRTubío、J.Azuaje、L.Escalanteなどは、Al2O3粉末とCu（NO3）2溶液から調製したゲルを使用し、3DPを使用して複雑な構造の触媒キャリアを製造します。その後、高温で焼結して有機成分を除去し、活性成分の銅を露出させることで、良好な反応活性が得られます。

図 3 3D プリントによる Cu(NO3)2 触媒の調製この記事で言及されているポリマー触媒システム、炭素材料触媒、金属およびその酸化物触媒を調製するための 3D プリントの使用に加えて、ゼオライト多孔質材料、グラフェン材料などの材料など、3D プリントを通じて触媒システムを調製するために使用できる他の多くの材料があります。同時に、FDM、SLS、DIW、SLなどのさまざまな3Dプリント技術は、それぞれ触媒の製造において独自の利点と展望を持っています。3Dプリント技術の継続的な発展と、3Dプリント技術に使用できる材料の継続的な拡大により、触媒分野でのその応用はますます広範囲に及ぶようになります。

著者: Yan Mengxue、Tian Xiaoyong 出典: 中国機械工学協会 3D 印刷部門

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