催化反应做到极致，催化剂都不要了？

3D打印是一种以数字化模型为基础，运用增材制造来构建物理实体的技术。目前，该技术在生物技术、制药、建筑、汽车、服装等行业已有显著的发展。金属3D打印作为一类重要的3D打印技术，也已受到了广泛的关注。由于金属本身的耐高温、耐高压、高热导率，以及优异的催化能力，所以利用金属3D打印技术，构建催化剂和反应器集成的催化体系，将有望彻底改革传统催化体系的构建模式。

图1. 3D打印技术以及3D金属自催化反应器的应用。图片来源：Nat. Commun.

近日，基于多年的C1化学研究基础和新型纳米材料的研究，日本国立富山大学应用化学系椿范立教授、中科院山西煤化所杨国辉研究员和日本国立物质材料研究机构彭小波博士等人合作的团队，成功设计和制造了一系列金属3D打印自催化反应器（后文以SCR代称），首次实现了反应器和催化剂一体化，用于C1资源小分子（包括CO、CO₂和CH₄）直接转化为高附加值的化学品。与传统的反应器和催化剂的设计理念不同，该自催化反应器无需再装填催化剂，其本身就具有优异的催化性能，并且其构造设计高度灵活自由。

图2. （从左到右）椿范立教授、杨国辉研究员和彭小波博士。

该研究首先设计和制造了三种3D金属自催化反应器（Fe-SCR、Co-SCR和Ni-SCR），用于C1分子（CO、CO₂和CH₄）转化为高附加值化学品（图3）。其中，Fe-SCR和Co-SCR在高压的费托合成（FT, 0.5 MPa ~ 5 MPa）和CO₂加氢中，显示出了高的液体燃料选择性；Ni-SCR在高温甲烷干重整（DRM，873 K ~ 1073 K）中，实现了CO₂和CH₄的高转化率。这表明3D金属自催化反应器具有良好的耐高压和耐高温特点以及优异的催化能力。

图3. SCRs的催化活性。图片来源：Nat. Commun.

此外，该研究还成功设计了7种不同几何结构的Co-SCR自催化反应器（图4），并考察了其几何结构对费托产物分布影响（图5）。研究表明，7种不同几何结构的Co-SCR自催化反应器，展现出相似的CO转化率，C_ole/C_n和C_iso/C_n，但是它们的产物分布却明显不同。其中，C₅⁺选择性从48％增加到73％，链增长因子（α）从0.57增长到0.86。结果表明，自催化反应器内部结构的调变，可大幅度优化目标产物的选择性，提高催化体系的可控性。

图4. Co-SCRs的几何结构。图片来源：Nat. Commun.

图5. 不同形貌的Co-SCRs的产物分布。图片来源：Nat. Commun.

该研究通过耦合催化剂和反应器一体化，成功将3D打印技术应用于C1催化领域，并展现出优异的催化性能。此外，该金属3D自催化反应器有助于促进3D打印技术的新发展，将其延伸于化学、能源、制药、材料合成和机械制造等领域。相关成果近期发表在Nature Communications 上，并已经申请了国际专利。魏勤洪博士、李航杰博士、刘蝈蝈博士为共同第一作者，通讯作者为彭小波博士、杨国辉研究员和椿范立教授。