超高效的3D打印催化劑可以幫助解決高超音速飛機的過熱問題，並為無數行業的熱管理提供革命性的解決方案。這種高度通用的催化劑由澳大利亞墨爾本皇家理工大學（RMIT）的研究人員開發，其製造成本低廉，規模也很簡單。
該團隊的實驗室演示表明，3D打印的催化劑有可能被用來為高超音速飛行提供動力，同時對系統進行冷卻。
該研究發表在英國皇家化學會雜誌《化學通訊》上。
首席研究員Selvakannan Periasamy博士說，他們的工作解決了高超音速飛機發展中的最大挑戰之一：控制飛機以超過五倍音速飛行時積累的驚人熱量。
“我們的實驗室測試表明，我們開發的3D打印催化劑在為未來的高超音速飛行提供燃料方面有着巨大的前景，”Periasamy說。
“強大而高效，它們為航空業的熱管理提供了一個令人興奮的潛在解決方案–甚至更多。隨着進一步的發展，我們希望這種新一代的超高效3D打印催化劑可以被用來改變任何過熱是一個永遠存在的挑戰的工業過程。”
對速度的需求
只有少數實驗性飛機達到了高超音速（定義為5馬赫以上–超過3800英里/小時或每秒1英里）。
從理論上講，高超音速飛機可以在90分鐘內從倫敦到紐約，但在高超音速航空旅行的發展中仍然存在許多挑戰，例如極端的熱量。
第一作者和博士研究員Roxanne Hubesch說，使用燃料作為冷卻劑是解決過熱問題最有希望的實驗方法之一。
“能夠在為飛機提供動力的同時吸收熱量的燃料是科學家們關注的一個重點，但是這種想法依賴於需要高效催化劑的耗熱化學反應，”Hubesch說。“此外，燃料與催化劑接觸的熱交換器必須儘可能小，因為高超音速飛機在體積和重量上受到嚴格限制。”
為了製造新的催化劑，研究小組3D打印了由金屬合金製成的微小熱交換器，並在其上塗上被稱為沸石的合成礦物質。
研究人員在實驗室規模上複製了燃料在高超音速下經歷的極端溫度和壓力，以測試其設計的功能。
當3D打印結構加熱時，一些金屬進入沸石框架–這一過程對新催化劑的空前效率至關重要。
Hubesch說：“我們的3D打印催化劑就像微型化學反應器，使它們如此令人難以置信地有效的是金屬和合成礦物的混合。”
“這是一個令人興奮的催化新方向，但我們需要更多的研究來充分了解這個過程，並確定金屬合金的最佳組合以獲得最大的影響。”
來自皇家墨爾本理工大學先進材料和工業化學中心（CAMIC）的研究團隊的下一步工作包括通過用X射線同步輻射技術和其他深入的分析方法研究3D打印的催化劑來優化它們。
研究人員還希望將這項工作的潛在應用擴展到車輛的空氣污染控制和改善室內空氣質量的微型設備–這對管理COVID-19等空氣傳播的呼吸道病毒尤為重要。
CAMIC主任Suresh Bhargava教授說，價值數萬億美元的化學工業主要是基於舊的催化技術。“這種第三代催化技術可以與3D打印技術聯繫起來，創造出以前不可能的新的複雜設計，” Bhargava說。“我們新的3D打印催化劑代表了一種激進的新方法，真正有可能徹底改變全世界催化技術的未來。”
3D打印的催化劑是在數字製造設施中使用激光粉床融合（L-PBF）技術生產的，該設施是RMIT先進製造區的一部分。