功能陶瓷由于其自身具有的耐高温、耐腐蚀、高硬度等特性在航天航空、生物医学、精细化工等领域受到了广泛的关注，然而功能陶瓷由于其特殊的高熔点、高脆性等特性，无法采用传统加工技术制备出复杂、高精度结构。因此，结合增材制造技术快速构筑复杂结构陶瓷，实现其快速精密加工制造，并通过结构设计改善其性能在各个领域具有重要意义。

黄渤海实验室精密制造材料与技术团队联合中国科学院兰州化物所，在前期针对3D打印构筑超低收缩率陶瓷的研究基础上（Ceramics International, 48 (2022) 10843-10851; Ceramics International, 48 (2022) 864-871），近期以快速高效制备复杂结构功能化陶瓷为目标，受生物体布利冈结构启发，利用无机粘结剂为陶瓷骨架，采用3D打印技术制备了仿生布利冈结构的不同螺距角螺旋陶瓷催化器件，螺距角(α)分别为30 °、45°、60°、90°和布利冈螺旋状催化陶瓷，用于甲苯蒸汽的催化性能研究，在200 °C下获得的甲苯转化率分别为92.51%、92.46%、90.67%、78.51%、95.52%，证明了不同结构设计对于催化效率影响具有重要意义。

图1. 仿螳螂虾布利冈结构的3D打印Pt/Al₂O₃陶瓷催化装置及其制备过程

首先，采用DIW 3D打印技术，制备Pt修饰Al₂O₃陶瓷催化器件，其灵感来自于仿生螳螂虾指节布利冈结构进行角度转换和气流方向改变。采用Al₂O₃粉末、PMMA颗粒和无机AP粘结剂构建稳定、低收缩的陶瓷催化载体。然后用陶瓷煅烧去除PMMA颗粒，为负载Pt提供锚点。与微孔结构相比，通过去除PMMA来制备更大的孔道以负载更多的催化剂，从而可以替代复杂介孔结构的制备。

图2. 3D打印偏移角度Al₂O₃陶瓷载体的整体结构和截面

利用3D打印技术在结构设计方面的优越性，进一步实现了各种角度的角度偏移陶瓷器件的制备。打印器件的结构由0 ° ~ 180 °螺旋结构逐层制作，垂直向上角度分别为30 °、45 °、60 °、90 °，每30 °偏移一次。在横截面上，不同旋转角度的丝状结构留下不同的孔隙，仿生布利冈螺旋状结构中更密集的丝状结构允许更长的气体停留时间和湍流，从而提高催化活性。

图3. 3D打印功能陶瓷对甲苯的催化性能研究

测试了甲苯蒸汽在不同旋转角度的仿生布利冈结构陶瓷催化反应器中的氧化情况，以及陶瓷催化反应器循环使用5次后的催化活性。相比于粉末催化剂，整体式的陶瓷催化反应器不仅具有优良的催化活性，并且具有优良的重复使用性以及更好的水稳定性。此外，通过流体力学分析验证了不同的结构中流体通过的静态压和湍流动能分布，辅助验证了结构设计对于催化性能的影响。综上，本论文证明了3D打印结合仿生布利冈结构在创造性设计螺旋状催化陶瓷方面的优越性，这对未来仿生催化材料与器件的发展具有重要意义。

上述研究成果以“Catalytic oxidation properties of 3D printed ceramics with Bouligand structures”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。石河子大学博士生徐昕为该论文第一作者，王晓龙研究员、姬忠莹助理研究员为论文通讯作者。

以上工作得到中国科学院兰州化物所协同创新联盟合作基金、国家重点研发计划、中国科学院“西部之光”交叉创新团队等项目的支持。

供稿人 / 姬忠莹

编   辑 / 黄秋平

审   核 / 王晓龙   邹   强