10
2026
-
09
应用实例丨浙大用奇遇科技工业级DLP打印整体式蜂窝SiC，破解硫基制氢硫酸分解难题
作者：
氢，被普遍视为面向未来的能源载体，但氢从哪来始终是绕不开的工程问题。直接热解水需要 2200°C 以上的高温，现实中难承受；硫基热化学循环是各国主推的折中路线，可把温度大幅压低。而这条循环里的关键一步是硫酸（H₂SO₄ → SO₂ + H₂O + ½O₂，800–900°C）分解，偏偏动力学极其顽固，必须靠催化剂才能跑得动，并且要在高温、强腐蚀、高水蒸气的工况里撑得住。
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室的团队借助奇遇科技工业级 DLP 陶瓷3D打印机，配合其 ADT-SiC-TH01L 光敏树脂，把多孔整体式蜂窝碳化硅一次打印成型，再浸渍负载二元金属氧化物催化剂，相关成果以《Design monolithic honeycomb SiC catalysts via industrial-grade DLP 3D printing technology for practical sulfur-based thermochemical hydrogen production》为题发表于《International Journal of Hydrogen Energy》（2026）。结果显示：Cu–Al/SiC 催化剂硫酸分解率稳定在 84% 左右、Cu–Fe/SiC 稳定在 74% 左右，850°C 下连续运行 24 小时分解率几乎不衰减，远优于粉末催化剂。
论文标题页 · International Journal of Hydrogen Energy 2026
一、硫基制氢的“硫酸分解”为何是硬骨头
硫基热化学制氢的总体思路，是用硫酸 + 碘/水的若干反应把水拆成氢和氧，再分别回收副产物循环回炉。其中硫酸分解是高温端必经的一步：先在 450°C 以上把 H₂SO₄ 拆成 SO₃ + H₂O，再在 800–900°C 把 SO₃ 拆成 SO₂ + ½O₂。两步都吸热，整体反应绝热温度常超 1100°C。
第二步 SO₃ 分解在热力学上可行，动力学却极不利，没有催化剂几乎跑不动。已有的贵金属催化剂活性高，但成本和稳定性都撑不住工业级连续运行；金属氧化物（特别是 Cu–Al、Ce–Cu、Cu–Fe、Fe–Cr 等二元体系）是更现实的方向，但又普遍遇到三个老问题：颗粒团聚导致活性位点减少、活性金属在腐蚀气氛中长期流失、硫酸盐化让催化剂中毒失活。
几乎所有相关研究都集中在粉末催化剂上，中试装置不得不堆大块氧化铁颗粒——成型难、堆密度差、长周期运行下床层结构还会粉化塌陷。要走向工业级稳定制氢，催化剂必须能集成、可设计、又能扛得住硫酸环境。本文团队把目光点转向了光固化陶瓷3D打印。
二、工业级 DLP 打印整体式蜂窝 SiC
整体式催化剂在硫酸分解里有两个先天收益：规整流道把气体阻力降下来，骨架强度又能在高温下避免粉化塌陷。问题在于 SiC 是难烧结陶瓷，传统成型要么做不了复杂几何，要么周期长、成本高。DLP（数字光处理）光固化成型能把先打印生坯、再原位成相一步实现，几何自由度大、节拍快，适合做整体式蜂窝载体。本文团队正是用光固化陶瓷3D打印这条路线一步实现
图1 · 硫基热化学循环示意：S–I 循环与 Hy-S 循环两条主流路线，核心都在硫酸高温分解，而这一步的瓶颈在动力学上
图2 · 工业级 DLP 打印 SiC 整体式蜂窝：a–b 浆料表观粘度/模量曲线（30 s⁻¹ 粘度仅 1.7 Pa·s，剪切变稀）；c 应力–应变曲线（最大应力 2.37 MPa，蜂窝抗压而不碎裂）；d SiC 光固化浆料实物；e DLP 打印示意；f 整体式蜂窝 SiC 支架实物（直径 20 mm、高 20 mm、壁厚 0.4 mm，约 5 g）
打印这一环节用的是奇遇科技工业级 DLP 打印机，搭配奇遇科技 ADT-SiC-TH01L 光敏树脂，与高纯 SiC 粉（>99.9%）按 1:4 质量比混浆、真空搅拌 2 小时脱泡；打印成形后乙醇清洗，再在氮气气氛 600°C 保温 2 小时排胶，最后在马弗炉 1000°C 保温 4 小时完成陶瓷化，获得稳定的多孔蜂窝 SiC 支架。整体式结构既保证了规整通道，又把催化剂载体+反应器骨架合二为一。
三、分解率与 24 小时稳定性
催化剂评价在管式炉+98% H₂SO₄ + N₂（500 ml/min）的真实酸蒸气环境下进行，WHSV 12 g 酸·g⁻¹·h⁻¹，温度区间 750–900°C，850°C 长周期稳定性跑 24 小时。下表给出六种二元催化剂的 T₅₀/T₈₀、活化能 Ea 和 24h 后的分解率。
|
|
|
|
|
|
|---|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
从分解率曲线（图3 a）看，825–875°C 工况下排序为：Ce–Cu/SiC > Cu–Al/SiC > Cu–Cr/SiC > Cu–Fe/SiC > Fe–Cr/SiC > Fe–Al/SiC。其中 Ce–Cu/SiC 起步最快（T₈₀ 825°C），但 24h 后从 84.26% 降到 82.32%（颗粒团聚和硫酸化累积所致）；真正跑出工业级稳定性的是 Cu–Al/SiC 和 Cu–Fe/SiC——两者 24 小时几乎无衰减，分解率分别稳在 84% 和 74%，失活率都低于 1%；含 Cr 的催化剂则因 Cr 在反应中流失导致活性显著下降，稳定性反而最差。
图3 · 六种整体式蜂窝 SiC 催化剂的活性与稳定性：a) 750–900°C SO₃ 转化率；b) Arrhenius 拟合得活化能；c) 850°C 24h 长周期稳定性曲线
四、机理亮点与综合评价
为什么 Cu–Al/SiC 和 Cu–Fe/SiC 既稳又活？机理来自两条线：一是化学吸附氧/晶格氧含量高且脱附温度适宜（O₂-TPD 显示两者在 900°C 附近仍有脱附峰），赋予催化剂持续供应表面活性氧的能力——这正是硫酸氧化分解所需要的；二是 SiC 载体本身耐腐蚀、导热好、抗硫酸盐中毒，反应前后 Si:C 原子比稳定在 1:1，活性金属虽有部分流失但骨架不塌。
图4 · 综合评价雷达图：分解率、稳定性、活化能、成本四维归一化（0–10，越大越好），其中 Cu–Al/SiC 综合最优（分解率+稳定性双高），Cu–Fe/SiC 经济性最佳（成本最低）
把六种催化剂放进分解率 / 活化能 / 稳定性 / 成本四维雷达图里对比，结论很清晰：Cu–Al/SiC 在分解率和稳定性两个维度都拿到 8 分以上，是综合表现最均衡的一款；Cu–Fe/SiC 成本只有它的几分之一（铁远便宜于铜的负载量），是工业放大时的经济之选；含 Cr 的两款虽然初始活性尚可，但稳定性维度被拉低，主要因为 Cr 在反应中流失并污染下游。整体来看，整体式蜂窝 SiC + 二元金属氧化物路线，已具备从实验室走向工业连续制氢现场的基础。
结语：从实验室走向工业制氢现场
综合来看，这项研究的核心价值在于把整体式蜂窝 SiC 催化剂这条陶瓷3D打印一体化路线从粉末催化剂的局限里拽出来——规整流道解决了床层压降，骨架强度解决了粉化塌陷，SiC 自身的耐腐蚀和导热又把活性金属的硫酸盐中毒风险压了下去。这条路线一旦与高温太阳集热或高温气冷堆的热源耦合，硫基热化学制氢的工程化就有了更稳的催化剂抓手。
对高温催化与能源催化方向而言，这套思路也有可借鉴之处：把载体一体化成型 + 浸渍负载解耦，让难以加工的高熔点、高耐蚀陶瓷先打印出结构，再把活性相填进去——只要载体本身能在目标温度和腐蚀气氛里撑住，后端的活性体系就能更自由地迭代。下一步的关键，在于把这类整体式催化剂从 5 克的实验室件推到工业级反应器，并在更接近真实热源（太阳模拟、高温堆）的耦合条件下验证连续运行。
上一页
上一页
相关新闻
暂无数据
立即咨询
如果您对我们的产品感兴趣，请留下您的电子邮件，我们将尽快与您联系，谢谢！
深圳地址：广东省深圳市龙岗区留学人员创业园1园120房间 佛山地址：广东省佛山市南海区大沥镇盐步穗盐西路92号a栋304-1