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2025
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行业新知丨DLP陶瓷3D打印制备具有三维导电网络的多孔碳/陶瓷复合结构
作者：
带电载体作为化学能转化过程的内部热源具有独特优势，然而目前焦耳加热催化剂载体由于设计和制备缺乏灵活性而受到限制。近日，香港理工大学温燮文教授和厦门大学周伟教授带领团队在《Additive Manufacturing》发表了题为《3D Printing of Carbon/Ceramic Conductive Composites as Joule‐heating Catalyst Support for Hydrogen Production》的研究，他们利用DLP 3D 打印技术和碳化工艺制备了具有三维导电网络的多孔碳/陶瓷复合结构作为载体，并且系统分析了影响这些导电网络形成及其电性能的工艺参数，评估了这些载体的电热性能。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104644
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研究内容
本研究介绍了基于3D打印技术制备碳/陶瓷导电复合材料的设计原理与方法。作者选择了碳材料（如石墨烯、碳纳米管）与陶瓷材料（如氧化铝、氮化硅）作为基体，进行不同配比的复合，确保材料在高温电热催化环境中具备优异的稳定性与高效的导电性。通过调控复合材料的成分与结构，优化了其在焦耳加热过程中的表现。
实验结果表明，复合材料具有显著提高氢气生成效率的能力，并能够在高温条件下长期稳定工作。研究还讨论了3D打印技术在复合材料制备中的优势，特别是其在复杂结构精确控制上的能力。
以下是文章的研究方法及数据：
△图1， ( a)宏观三维导电支撑与微观三维导电网络制备示意图；(b)三维导电支撑中的焦耳加热机制。
△图2，MSR微通道反应器及测试系统示意图。
△图3，不同固体含量水平的陶瓷浆料中剪切应力随剪切速率的变化；(b) 不同固体含量范围内陶瓷浆料的剪切粘度随剪切速率的变化；(c) 不同固体含量的陶瓷浆料在不同曝光时间下的固化厚度变化。插图显示了每个固体含量水平下的临界曝光能量和穿透深度之间的相关性；(d) 不同固相比例下热解前后生坯的形态演变。
△图4，六个孔隙率为 60% 的 TPMS 结构（见图S3），使用含有 50 wt% 陶瓷含量的浆料打印而成。该图包括宏观视图和碳化后的 SEM 图像。
图 5. ( a)在600°C至1400°C的温度下恒温加热2小时，不同陶瓷含量的样品的电导率变化；(b)随着800°C下保温时间的增加，不同陶瓷含量的样品的电导率变化；(c)在不同温度下50 wt%陶瓷含量的样品的拉曼光谱；(d)在1000°C下处理的不同陶瓷含量的样品的SEM/EDS图像和三维导电网络示意图。
△图6，( a)导电支架的电流特性曲线；(b)两种不同体积支架的归一化功率密度曲线；(c)梯度电压下支架的温度变化；(d)3 V、5.5 V、7 V下支架的温度开关响应；(e)不同驱动电压下支架的电热稳定性。
△图7，( a)焦耳加热过程中不同注入速度下甲醇转化率随载体温度的变化；(b)焦耳加热过程中不同注入速度下H 2生成率随载体温度的变化趋势；(c)焦耳加热过程中不同注入速度引起的气体浓度变化；(d)焦耳加热过程中不同反应温度下甲醇转化率随载体温度的变化；(e)焦耳加热过程中不同反应温度下H 2生成率随载体温度的变化趋势；(f)焦耳加热过程中反应温度变化引起的气体浓度变化。
△图8，( a)260℃时焦耳加热和外部加热不同喷射速度下的甲醇转化率与H₂产率；(b)焦耳加热和外部加热维持支撑温度的功耗；(c)焦耳加热和外部加热下H₂产率随消耗功率密度的变化趋势；(d)两种加热模式下不同喷射速度下的重整效率。
结论
该研究利用DLP陶瓷3D打印技术制备了具有三维导电网络的多孔碳/陶瓷复合结构。实验结果表明，该载体具有良好的电热稳定性，在300 ℃左右启停响应时间小于100 s，且其加热性能在多次循环后保持一致。在甲醇蒸汽重整（MSR）微通道反应器中测试了其制氢性能，最高甲醇转化率为98%，氢气产率达到101 mmol/h。与传统外加热方式相比，功耗密度降低了76.3%，重整效率提高了187.2%。
该研究提供了一种可定制的复杂焦耳加热催化剂载体的制备方法，为微结构反应器低功耗制氢提供了一种新策略。
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