西北工科大学の Mei Hui 教授のチーム: 高度な光触媒のための 3D プリント組み立て技術!

出典: 溶接科学

3D プリンティングは、水素生成、化学合成、汚染物質分解のための半導体光触媒システムを製造するための最適化された方法を提供します。 3D光触媒は、押し出し成形や3Dプリントから3Dプリントされた透明セラミックスへと進化しています。 3D プリント光触媒の絶え間ない研究の結果、ナノスケール、マイクロスケールからマクロスケールまでの正確なサイズを持つ複雑な 3D 構造を製造することが光触媒の重要な方法であると考えられ、大きな科学的関心を呼び起こしました。

3Dプリント光触媒材料およびシステムの最新の進歩を記録するために、西北工科大学材料科学工学部のメイ・フイ教授のチームは、西安理工大学および香港城市大学と共同で、Materials Today Nano（中国科学院ゾーン1、トップ、インパクトファクター10.3）に最新のレビュー記事「高度な光触媒に向けた3Dプリント組み立て技術」を発表しました。この記事では、従来の3Dプリント技術と最新の3Dプリント技術、特にモノリシック光触媒、LEDリアクター、マイクロチャネルリアクターなどの応用について論じています。責任著者は Mei Hui 教授です。

このレビューでは、これまでの主な成果と、残りの研究の課題と目標に焦点を当てています。この研究は、特徴的な寸法を持つ幾何学的および位相的に最適化された構造の設計と光触媒性能に焦点を当てています。さまざまな 3D プリント方法の概要、材料要件、利点、欠点、一般的な用途など。

図1. 「光触媒-3Dプリント技術-3Dプリント構造」のシステム図。
図 2. (a) LED ライトで照らされたマイクロチャネルフォトマイクロリアクター。(b) 液体は分子浸透によってハイドロゲル内の接続されていないチャネル間で輸送されます。
図 3. SLA 法による高透過率マグネシウム - アルミニウムスピネル透明セラミックスの製造: (a) スピネルセラミックスの 3D プリントと後熱処理プロセスの概略図。 (b) スピネルナノ粒子のTEM像と粒度分布（インセット）。 (c) 印刷可能なスピネルセラミックスラリーのレオロジー挙動。挿入図は、自己保持能力に優れたスピネルセラミックスラリーの写真を示しています。 (d～f) 印刷されたスピネル透明プロトタイプの写真：レンズアレイ（d）、フレネルレンズ（e）、ケルビンセルマイクロラティス（f）。
結論と展望

このレビューでは、著者らは従来の 3D 印刷技術と透明な 3D 印刷セラミックス、およびそれらの光触媒反応器と材料への応用について説明し、それらの主要な成果と残された研究課題とギャップを強調しています。 3D プリントは、モノリシック光触媒、LED リアクター、マイクロチャネルリアクターにとって最も有望なアプローチです。 3D リアクターの形状によっては、さらなる開発にはまださらなる研究が必要です。

（１）モノリシック光反応器の場合、複雑な構造をコンピュータで設計することが比表面積を増やす鍵となる。光反応器の光効率を改善するために、透明度の高いセラミックスと石英ガラスは、自立型モノリシック光触媒を構築するためのホットなトピックです。しかし、印刷された YAG および Al2O3 構造は、より多くの光を吸収するための高比表面積の複雑な構造を形成するのに適しておらず、印刷された MgAl2O4 のサイズは工業用途には非常に小さく、印刷された石英ガラスは靭性に欠けています。

（２）LEDリアクターの場合、コンピュータ設計されたLEDの分布と光路は、取り付けられた光触媒の効率に影響を与える可能性があります。現在の LED 配布の設計はまだ非常に原始的です。光触媒の適切な明るさを得て、LED 光を最大限に活用するためには、LED 光の分布を検討する必要があります。さらに、光路についても議論する必要があります。適切な場所に鏡を追加すると、光触媒の効率が向上します。さらに、光ファイバーは LED リアクターの潜在的なデバイスです。

（３）マイクロチャネルの場合、チャネルパターンと光照射が重要な要素となる。光活性材料の設計と支持構造上へのその堆積に注意を払う必要があります。

図4に示すように、対象アプリケーションと差別化機能により、3Dプリント方式の種類を識別できます。注意が必要な領域には、ターゲットの形状 (多層または自立型など)、基板の種類、さまざまな長さスケールの制御を必要とする機能、および必要なアセンブリ解像度が含まれます。複雑な構造を通る光の分布、光路、透過率を設計するには、計算によるトポロジー最適化手法が必要です。拡大適性、再現性、印刷コストも重要な要素です。他の光触媒担体は不透明で光損失が大きいため、透明セラミックと石英ガラスはさらなる 3D 光触媒の製造に理想的な材料です。低い光吸収を可能にすることで、3D プリント光触媒の製造における新たなトレンドをリードすることになります。光触媒と反応器の形状と寸法を調整することで、活性部位への光子と質量の輸送が最適化されます。 SLA と SLM は、品質と光の利用のために活性部位を最適化する複雑な構造を生成する高解像度、剛性、強靭性を備えているため、将来の光触媒用途にとって有望な技術です。
図 4. 対象アプリケーションと差別化機能により、3D 印刷方法の種類を識別できます。
連絡先著者

梅慧氏は、西北工業大学材料科学工学部教授、博士課程指導教員、国家千人計画の主導的人材、科学技術部革新促進計画の人材、国家レベルの高い若い人材、新世紀教育部の優秀な人材である。主にセラミック複合材、エネルギー触媒と環境保護、超潤滑、油水分離/超疎水性、3D/4Dプリント、欠陥検出などに関わるマイクロ波吸収メタマテリアルの研究を行っている。近年では、中国国家自然科学基金の重点/総合プロジェクト、国家ハイテク863プロジェクト、国家重点特別プロジェクトなど、10件以上の国家科学研究プロジェクトを主宰または完了している。彼は、18 件の国内特許、3 冊の本、1 冊の教科書、およびロイヤルメルボルン大学アドバンスト・コンペ・マスターによる 1 冊の英語モノグラフを取得しています。彼は第一著者として、AFM、ACS Nano、JMCA、Carbonなどのジャーナルに159本の学術論文を発表し、発表された論文ごとに20万元の優秀論文賞を受賞した。彼はアメリカセラミック協会の会員であり、中国複合材料協会のセラミック支部の事務局長です。 AM、AFM、ACS Nano、Small、Carbon、Corros Sci、Compos Sci Technol、J Am Ceram Soc などの国際ジャーナルの査読者。 16 の国際会議セッションの議長/主催者、4 つの会議の書記を務め、25 の特別招待講演を行いました。

論文引用

Bai S、Mei H、Zhang M、他「先進的な光触媒に向けた3Dプリント組み立て技術[J]」Materials Today Nano、2023：100385。https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2023.100385

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