西北工業(yè)大學梅輝教授團隊：面向先進光催化的3D打印組裝技術！

來源：焊接科學

3D打印為制造用于制氫、化學合成和污染物降解的半導體光催化劑系統(tǒng)提供了優(yōu)化途徑。3D光催化劑正在從擠出成型和3D打印發(fā)展到3D打印透明陶瓷。經(jīng)過對3D打印光催化劑的不懈探索，制造從納米尺度、微米尺度到宏觀尺度的精確尺寸的復雜3D結構被認為是光催化劑的重要方法，并引起了極大的科學興趣。

為了記錄3D打印光催化材料和系統(tǒng)的最新進展，近日，西北工業(yè)大學材料學院梅輝教授團隊聯(lián)合西安工程大學、香港城市大學在《Materials Today Nano》（中科院1區(qū)，Top，影響因子10.3）發(fā)表最新綜述文章“3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis“，討論了傳統(tǒng)和最新的3D打印技術及其應用，特別是整體式光催化劑、LED反應器和微通道反應器。梅輝教授為通訊作者。

該綜述強調了目前的主要成就以及剩余研究的挑戰(zhàn)和目標。這項工作的重點是具有特征尺寸的幾何和拓撲優(yōu)化結構的設計和光催化性能。總結了各種3D打印方法，包括它們的材料要求、優(yōu)點、缺點和典型用途。

圖1.“光觸媒-3D打印技術-3D打印結構”的系統(tǒng)圖譜。

圖2. (a)用LED燈照射的微通道光微反應器；（b）通過分子滲透，液體在水凝膠中的非連接通道之間傳輸。

圖3. 通過SLA方法生產高透光率的鎂鋁尖晶石透明陶瓷：(a)尖晶石陶瓷的3D打印和后熱處理過程示意圖。(b) 尖晶石納米粒子的 TEM 圖像和粒度分布（插圖）。（c）可打印尖晶石陶瓷漿料的流變行為，插圖顯示具有良好自保持能力的尖晶石陶瓷漿料的照片。(d–f) 印刷尖晶石透明原型的照片：透鏡陣列 (d)、菲涅爾透鏡 (e)、開爾文細胞微晶格 (f)。

結論與展望

在這篇綜述中，作者討論了傳統(tǒng)3D打印技術和透明3D打印陶瓷及其在光催化反應器和材料中的應用，強調了它們的關鍵成就以及剩余的研究挑戰(zhàn)和差距。3D打印是整體式光催化劑、LED反應器和微通道反應器最有希望的方法。根據(jù)3D反應器的形狀，進一步開發(fā)仍需要更多研究：

(1) 對于整體式光反應器，復雜結構的計算機設計是提高其比表面積的關鍵。為了提高光反應器的光效率，高透明陶瓷和石英玻璃是構建自支撐整體式光催化劑的熱點。然而，打印的YAG和Al2O3結構不適合形成具有高比表面積的復雜結構以吸收更多的光，打印的MgAl2O4的尺寸對于工業(yè)用途而言非常小，并且印刷的石英玻璃缺乏韌性。

(2) 對于LED反應器來說，計算機設計的LED分布和光路會影響附著光催化的效率。目前LED分布的設計還很原始。為了使光觸媒獲得合適的亮度并充分利用LED燈，需要討論LED燈的分布。此外，還需要討論光路。在合適的位置添加鏡子可以提高光觸媒的效率。另外，光纖是LED反應器的潛在器件。

(3) 對于微通道來說，通道圖案和光輻照度是關鍵因素。需要注意光活性材料的設計及其在支撐結構上的沉積。

如圖4所示，目標應用程序和區(qū)分功能可以識別3D打印方法的類型。需要注意的領域包括目標幾何形狀（例如多層或獨立式）、基板類型、需要控制不同長度尺度的特征以及所需的組裝分辨率。需要計算拓撲優(yōu)化方法來通過復雜的結構來設計光分布、光路和透射率。放大的適用性、再現(xiàn)性和印刷成本也是重要因素。由于其他光催化劑載體不透明且失光嚴重，透明陶瓷和石英玻璃是制造進一步3D光催化劑的理想材料；通過允許低光照吸收，它們將引領制造3D打印光催化劑的新趨勢。通過調整光催化劑和反應器的幾何形狀和尺寸，優(yōu)化了光子和質量到活性點的傳輸。SLA和SLM是未來光催化應用的有前途的技術，因為它們的復雜產品結構具有高分辨率、剛性和韌性，可以優(yōu)化質量和光利用的活性位點。

圖4. 目標應用和區(qū)分功能可以識別3D打印方法的類型。

通訊作者

梅輝，西北工業(yè)大學材料學院教授，博導，國家萬人計劃領軍人才，科技部創(chuàng)新推進計劃人才、國家高層次青年人才、教育部新世紀優(yōu)秀人才，主要開展陶瓷復材相關的吸波超材料、能源催化環(huán)保，超潤滑、油水分離/超疏水、3D/4D打印、缺陷檢測等研究，近年來主持或完成國家自然科學基金重點/面上、國家高技術863和國家重大專項等10余項國家級科研項目。獲國家專利18項，著作3部，教材1部，皇家墨爾本大學Adv compe mater英文專著1部。第一作者發(fā)表AFM、ACS Nano 、JMCA、Carbon等期刊學術論文159篇，發(fā)表的單篇論文獲得20萬元頂級論文獎勵。擔任美國陶瓷協(xié)會會員，中國復材學會陶瓷基分會秘書長。國際期刊AM、AFM、ACS Nano、Small、Carbon、Corros Sci、Compos Sci Technol、J Am Ceram Soc等通訊審稿人。擔任16次國際會議分會主席/組織者，4次大會秘書，25次特邀報告。

論文引用

Bai S, Mei H, Zhang M, et al. 3D printing assemble technology toward advanced photocatalysis[J]. Materials Today Nano, 2023: 100385. https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2023.100385