推动高超音速飞行的下一代3D打印催化剂

　　飞机在超高速飞行时，由于空气和飞机表面摩擦会产生热量。因此，为了实现高超音速飞行，热量控制是必须解决的重要一关。此前，澳大利亚皇家墨尔本理工大学研究人员开发了一种3D打印催化剂，这种高度通用的催化剂具有成本效益且易于扩展。

　　这种新型催化剂可以帮助解决高超音速飞机飞行中产生的过热挑战，并为无数行业的热管理提供革命性的解决方案。该团队的实验室演示表明，3D打印催化剂可作为高超音速飞行时的动力来源，同时还可以冷却系统。该研究发表在英国皇家化学学会期刊《化学通讯》上。团队首席研究员Selvakannan Periasamy博士表示，他们的工作解决了高超音速飞机开发过程中面临的最大挑战之一，即当飞行以超过5倍音速飞行时控制令人难以置信的热量。

　　“实验室测试表明，我们开发的3D打印催化剂对于未来推动高超音速飞行具有很大的前景，”Periasamy谈到，“功能强大且高效，它们为航空及其他领域的热管理提供了令人兴奋的潜在解决方案。随着进一步的发展，我们希望这种新一代超高效3D打印催化剂可以用来解决任何工业中的过热难题。”

　　需要速度

　　只有少数实验飞机达到了高超音速（定义为5马赫以上，超过每小时6100公里或每秒1.7公里）。理论上，一架高超音速飞机可以在4个小时内从伦敦飞往悉尼，但高超音速航空旅行的发展仍然面临着诸多挑战，例如极端高温。

　　论文的第一作者和博士研究人员Roxanne Hubesch表示，使用燃料作为冷却剂是解决过热问题最有希望的实验方法之一。他进一步指出，为飞机提供动力的同时还能吸收热量的燃料是科学家们关注的重点，但这个想法依赖于需要高效催化剂的耗热化学反应。”Hubesch说。

　　此外，由于高超音速飞机的体积和重量限制，燃料与催化剂接触的热交换器必须尽可能小。为了制造新的催化剂，研究团队通过3D打印的方式制成了金属合金微型热交换器，并为其涂上了称为“沸石”的合成矿物。

　　研究人员在实验室规模上复制了燃料在高超音速下所经历的极端温度和压力，以测试他们设计的功能。

　　微型化学反应器

　　当3D打印结构升温时，一些金属会移动到沸石框架中，这一过程对于新催化剂到达前所未有的效率至关重要。Hubesch解释说，我们的3D打印催化剂就像微型化学反应器，使它们如此有效的是金属和合成矿物的混合设计。

　　“这是一个令人兴奋的催化新方向，但我们需要更多的研究来充分了解这一过程并确定金属合金的最佳组合以产生最大影响。”皇家墨尔本理工大学先进材料和工业化学中心（CAMIC）研究团队的下一步工作，包括通过使用X射线同步加速器技术和其他深入分析方法研究3D打印催化剂，并逐步优化它们。

　　研究人员希望将这项工作的潜在应用扩展到车辆和微型设备的空气污染控制，以改善室内空气质，这对于管理空气传播的呼吸道病毒（如COVID-19）尤其重要。CAMIC主任Suresh Bhargava教授表示，“目前价值数万亿美元的化学工业主要基于旧的催化技术。这种第三代催化剂可以与3D打印相结合，创造出前所未有的新复杂设计。我们新的3D打印催化剂代表了一种激进的新方法，具有彻底改变全球催化未来的真正潜力。”

　　实际上，3D打印催化剂是研究人员在皇家墨尔本理工大学数字制造设施中，使用激光粉末床融合(L-PBF)技术生产的。Bhargava和数字制造设施主任Milan Brandt教授提出了3D打印催化剂和化学反应器设计的概念。

　　来自皇家墨尔本理工大学增材制造中心的研究合著者Maciej Mazur博士表示，这项工作是通过跨学科合作实现创新的一个强有力例子。“将增材制造与化学科学相结合产生了突破性的成果，”Mazur说，“3D打印开放式金属框架结构上的沸石，金属迁移到沸石中促进了飞行器吸热燃料的催化裂化。”