3D printing, additive manufacturing, monolithic catalysts
Abstrakt
Druk 3D stanowi obiecującą alternatywę dla tradycyjnych metod produkcji katalizatorów monolitycznych. W tej pracy została zaproponowana nowa metoda syntezy katalizatorów z zastosowaniem technologii digital light processing i techniki odwzorowania struktury, jaką jest casting. Polega ona na wydrukowaniu polimerowych szablonów, wypełnieniu ich materiałem ceramicznym i poddaniu obróbce termicznej w celu usunięcia tych szablonów. Otrzymane monolity stanowią ich odwrotną replikę. W ten sposób przygotowano różnego rodzaju monolityczne katalizatory, a także nośniki katalityczne, na których powierzchni osadzono później fazę aktywną.
Właściwości katalityczne monolitów zawierających Mn i/lub Na2WO4 przebadano w procesie utleniającego sprzęgania metanu. Porównano je z właściwościami katalizatorów w formie proszku. Monolity pokryte warstwą zeolitu typu MFI poddano testom katalitycznym w procesie izomeryzacji α-pinenu w fazie gazowej. Zbadano również właściwości fizykochemiczne wybranych katalizatorów przed i po ich pracy.
Przedstawiona metoda syntezy monolitów z wykorzystaniem druku 3D pozwoliła na bardzo precyzyjną kontrolę struktury katalizatorów, co z kolei umożliwiło kontrolowanie stopnia konwersji substratów i selektywności do różnych produktów. Katalizatory wytworzone tą metodą wykazały się dobrą aktywnością i selektywnością w procesach.
3D printing is a promising alternative to traditional methods of producing monolithic catalysts. This thesis proposes a new method of catalyst synthesis using digital light processing technology, as well as casting, which is a templating technique. It involves printing polymer templates, filling them with ceramic material and then subjecting them to thermal treating in order to remove these templates. The obtained monoliths are their reverse replicas. In this way, many types of monolithic catalysts were prepared, as well as catalytic supports to which an active phase was later deposited.
Catalytic properties of monoliths containing Mn and/or Na2WO4 were studied in the process of oxidative coupling of methane. They were compared with the properties of powder catalysts. Monoliths coated with a MFI type zeolite layer were subjected to catalytic tests in the process of α-pinene isomerization in the gas phase. Physicochemical properties of selected catalysts before and after their performance were also examined.
The presented method of monolith synthesis with the use of 3D printing allowed for a very precise control of the catalyst structure, which in turn enabled us to control substrate conversion and selectivities to various products. The catalysts produced by this method showed good activity and selectivity in the processes.
