近日，中国科学院上海高等研究院唐志永研究员和张洁副研究员所带领的工程科学团队，在3D打印技术制备车载甲醇重整制氢催化剂研究中取得重要进展，研究成果以“Highly Controlled Structured Catalysts for On-board Methanol Reforming”为题发表在能源化学一区期刊《Journal of Energy Chemistry》（IF杂志=9.676）。论文的共同第一作者为上海高等研究院的梁庄典和王刚博士。

碳达峰与碳中和的目标推动着我们对新能源进行深度开发利用。氢能作为一种十分理想的替代能源，近年来备受关注。氢燃料电池汽车可以解决传统汽柴油车引起的一系列环境问题，但是氢气的高额运输储存成本和低能量密度无疑是氢动力燃料电池汽车在市场上推广应用的巨大阻碍。车载甲醇重整制氢可以在不使用氢气作为直接原料的情况下为燃料电池汽车供氢，为降低其燃料储存成本和运输成本提供了一条有效路径。然而，传统催化剂机械强度低，在车辆高速运动过程中床层易破碎从而极大的影响催化剂活性。因此，开发一种高机械强度适应车载环境，同时保持高催化活性的催化剂制备技术非常关键。

在此背景下，研究团队提出了一种使用3D打印技术制备整体式催化剂，通过调控载体组成与煅烧温度，改进催化剂空间结构等策略，成功开发了一种新型兼具高机械强度和高催化活性的3D打印催化剂制备方法。同时，开发了对金属离子在载体中的空间分布的定量分析方法，为后续新型整体式催化剂的开发提供了新思路。

该工作以为光固化3D打印技术制备催化剂载体，结合低场核磁共振空间测试金属离子分布，分析研究了3D打印氧化铝多孔载体中机械强度、孔隙率与煅烧温度组成的关系，揭示了多孔载体中金属离子的扩散效应，同时开发了核磁成像定量测试金属离子分布技术。通过干燥结晶煅烧方法，成功在高机械强度氧化铝多孔载体上合成了铜锌片层结构活性组分层。另外，通过改进氧化铝载体空间结构，从而提高传热与传质效率降低床层压降，进而提高甲醇重整反应催化效果。最后，经过反应参数的优化，单位质量催化剂氢气的时空产率达到536 mol/kg_cat*h，超过了目前报道的大部分同类型催化剂。同时催化剂机械强度高，径向压溃强度达152.4 N/mm，是目前传统颗粒催化剂的4倍，可以适应车载加速颠簸等情况使得该技术具有极高的商业应用意义。该研究工作有望推动甲醇重整制氢技术在车载燃料电池、分布式能源终端等多领域的运用发展，并为整体式催化剂的开发提供了新路径，可作为一种普适的方法强化各类整体式催化剂的合成。

该工作获得了中科院青年创新促进会、中科院STS计划和国家自然科学基金的资助。

文章链接： https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.11.030 

图1. 3D打印制备甲醇重整制氢催化剂

图2. 3D打印催化剂，(a) DLP-3D 打印后的基底载体，(b) 浸渍干燥结晶后的样品，(c) 煅烧后的样品， (d, e)样品的 SEM 图像和原子力显微镜表面形貌。

图3. (a) 3D打印氧化铝载体机械强度与吸水性，(b) 3D打印催化剂（SP-2, SP-1.5, BS-2-1）的时空产率与文献报道值的比较。