CO₂捕集与封存（CCS）技能是削减燃煤电厂和高耗能工业CO₂排放的要害低碳手法。作为CO₂资源化使用的重要途径之一，甲烷干重整反响可将CH₄和CO₂等温室气体转化为组成气（CO和H），在工业化学组成中具有宽广远景。其间，LaFeO₃钙钛矿因其优异的耐热性与氧化复原功用，被认为是DRM反响的先进催化资料之一。但是，传统固定床颗粒催化剂在孔结构单一、机械强度低以及传质传热受限等方面存在很显着瓶颈。传统制作办法在制备具有梯度改变与多资料复合结构催化剂方面存在显着限制。

  遭到肺支气管分形结构的启示，西安交通大学李涤尘、田小永教授团队联合化工学院吴志强教授，提出了一种新式梯度仿生超结构催化剂的规划与3D打印办法，通过将组成的LaFe₀.₅Ni₀.₅O₃（LFN）钙钛矿催化剂与拟薄水铝石复合，成功构建了具有超低压降与高催化功率的整体式陶瓷催化剂。研讨团队通过核算流体力学与反响模仿，优化规划了包含0.5–3mm多级木堆通道的均匀与梯度结构催化剂。理论模仿显现，梯度结构可使气体流速进步1.5倍，产氢功率进步1.1倍。进一步通过单胞尺度调控与LFN含量（11–35%）的区域调控，并结合拟薄水铝石的脱羟反响，成功制备出具有9.32nm与103.75nm多峰孔径散布的仿生超结构催化剂。选用气压-螺杆共挤出3D打印工艺制备的钙钛矿催化剂比表面积显着进步78.7倍，到达102.26m²/g，抗压强度到达8.48MPa。在甲烷干重整反响测验中，该催化剂完成了82.13%的CH₄转化率和9.69mmol/g的组成气产值，其催化功率较传统粉末填充床进步约10%。本研讨通过梯度层级孔结构规划与流体动力学调控的协同优化，显着地增强了催化剂的质量传递功用与反响活性，为构建高强度、高功率的结构化催化剂供给了可行途径和新范式，具有在动力转化与高温催化等多范畴的广泛应用潜力。

  图3 LaFe₀.₅Ni₀.₅O₃钙钛矿催化剂的组成与超结构陶瓷催化剂3D打印

  3D打印钙钛矿催化剂在75个循环、50小时的长周期催化测验中表现出杰出的稳定性，CH₄转化率保持在74%，组成气产值到达7.19mmol·g⁻¹。通过50小时反响后，组成气产值下降14.61%，催化剂结构坚持完好，未呈现十分显着破损或陷落。在等效LFN质量负载条件下，LFN含量为23wt%的超结构催化剂表现出优异的催化功用，H₂产率为69.83%，CO产率为57.83%，组成气产率到达8.42mmol·g⁻¹，明显优于LFN粉末催化剂（组成气产率为6.71mmol·g⁻¹）及惯例贵金属催化剂。原位DRIFTS测验标明，该催化剂的协同氧化复原机制可有用再生晶格氧，并保持高效的催化循环进程。这种功用的进步得益于3D打印超结构完成的层级孔隙率操控与定制化流场优化，完成了催化反响途径与质量传递的高效协同。

  相关研讨成果以“3D-Printed Bioinspired Meta-Structural Perovskite Catalysts for Dry Reforming of CH4and CO2”为题宣布在世界威望期刊《先进资料》（Advanced Materials，IF:26.8）。论文榜首作者是西安交大机械工程学院助理教授霍存宝，田小永教授为论文通讯作者。论文作者还包含李涤尘教授、吴志强教授、胡准副教授、吴玲玲副教授，中石油石化院王宝杰主任、杨耀工程师，以及研讨生吴树旺、张榕江（西安泰金新能）、谈磊、李可欣等。该研讨工作得到了国家自然科学基金、我国博士后科学基金、西安市科协青年人才托举方案等项目的支撑。

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