氨既是化肥和化工的基础原料，也被视为潜在的无碳氢能载体。目前工业上主要采用 Haber-Bosch 工艺，在高温（约 425°C）和高压（100–150 bar）下，以熔铁催化剂将 N₂ 与 H₂ 转化为 NH₃。该工艺成熟但能耗巨大，且与化石燃料制氢深度绑定，碳排放主要来源于氢源。
Ru 基催化剂在较低温度和压力下活性高于传统铁基催化剂，但成本高、寿命短，并在高氢分压下易发生氢中毒。膜反应器通过选择性移除产物 NH₃，打破热力学平衡限制，使反应在更温和的条件下获得更高转化率。结构化催化剂载体，如周期性开孔结构（POCS）和三重周期性极小曲面（TPMS），具有高比表面积、低压降、良好传质和自支撑特性，与增材制造天然契合。本工作首次将 TPMS gyroid 结构化催化剂与 Cu 改性碳分子筛（Cu-CMS）膜集成，系统考察了膜反应器的氨合成性能。
图1（对应原文 Fig.1）：gyroid 支撑体渲染图与单胞结构，外径 26.66 mm，中心孔径 15.1 mm，长度 100 mm，单元尺寸 5 mm，片径 0.34 mm，孔隙率 70%。
支撑体采用镍基合金 IN625，通过激光粉末床熔融（LPBF）成型。打印件为圆柱形，外径 26.66 mm，长 100 mm，中心预留 Φ15.1 mm 通道用于安装 CMS 膜。gyroid 单元尺寸 5 mm，片径 0.34 mm，孔径 2.16 mm，比表面积 4.3 mm⁻¹，整体孔隙率 70%。光学测量显示实际尺寸与 CAD 模型偏差很小，说明 LPBF 能够可靠复制这种复杂几何。
催化活化采用 Johnson Matthey 提供的 2.5 wt% Ru 基粉末配制浆料：以 PVA 为流变改性剂、甘油为分散剂、去离子水为溶剂，球磨 24 h 后得到接近牛顿流体行为的浆料，便于在复杂多孔结构中均匀涂覆。支撑体经丙酮/水超声清洗、120°C 干燥、900°C 空气煅烧 6 h 后，采用浸渍-旋涂组合工艺负载催化剂，重复约 11 次至负载量约 6 g·cm⁻³，最后在 500°C 煅烧 6 h。
图2（对应原文 Fig.3）：裸 gyroid 支撑体（中）与两侧 Ru 基催化剂活化后的支撑体实物对比。
碳分子筛膜由 Novolac 酚醛树脂前驱体溶液通过浸渍法涂覆在多孔 α-Al₂O₃ 管外壁，经 90°C 聚合、550°C 氮气碳化 2 h 得到。为增强对 NH₃ 的选择性吸附与传输，前驱体溶液中掺入 0.1 wt% Cu²⁺。膜两端通过 Swagelok 接头与石墨环密封，一端封闭、一端连接法兰。
反应器为 Inconel 容器（外径 33 mm，内径 29 mm，长 300 mm），内部垂直堆叠两段 10 cm 的 TPMS 催化剂，总活性长度 20 cm；CMS 膜置于中心通道并密封于顶部法兰，总膜长约 21 cm。反应气流从底部进入，吹扫气从顶部经内毛细管进入膜内，与渗余物流同向流动。系统配置压力、温度、流量多点监测，并采用微气相色谱在线分析气体组成。
图3（对应原文 Fig.5）：结构化催化剂反应器（SCR）/结构化催化剂膜反应器（SCMR）实验装置 P&ID。
图4（对应原文 Fig.6）：管式膜反应器内部剖面，显示 TPMS 催化剂支撑体与中心 CMS 膜的相对位置。
图5（对应原文 Fig.7）：gyroid 支撑体表面光学 / SEM 照片：（a）打印态外表面；（b）活化后外表面；（c）中心孔活化区；（d）外表面放大。
单气与混合气渗透实验表明，H₂ 渗透通量远高于 N₂，且随温度升高呈 Arrhenius 型增长，反映热活化扩散主导的分子筛分机制。NH₃ 渗透则主要受温度控制的吸附-扩散机制主导，随温度升高而下降。在 H₂:N₂ = 1.5:1、模拟 40% 转化率的三元混合气中，竞争吸附使 H₂/N₂ 分离因子低于理想选择性，但膜仍保持良好完整性。
结构化催化剂反应器（SCR）中的活性测试显示，温度升高加快反应动力学，但超过平衡限制后 NH₃ 产率下降；提高压力则有利于平衡向产物移动。与传统化学计量比 H₂:N₂ = 3:1 相比，欠化学计量比 2:1 在大部分条件下表现出更高的 NH₃ 产率，这是因为在较低 H₂ 分压下 Ru 催化剂的氢中毒减轻，N₂ 活化增强。WHSV 考察则表明，低空速有利于高转化率，高空速有利于高产率，为膜反应器实验选择低 WHSV 提供了依据。
图6（对应原文 Fig.10）：WHSV = 2862 mLₙ·g_cat⁻¹·h⁻¹ 时，不同 H₂:N₂ 进料比下 NH₃ 产率（a、b）与 H₂ 转化率（c、d）随温度和压力的变化。
在结构化催化剂膜反应器（SCMR）中，吹扫比 SW（吹扫气/进料流量比）是调控膜两侧分压梯度的关键。低温低 SW 时，反应受动力学限制，吹扫气稀释反而降低产率；随着温度升高，膜原位移除 NH₃ 的效益显现。在 400°C、40 bar、SW = 4 条件下，SCMR 相较于 SCR 的 H₂ 转化率提高 83.4%，NH₃ 产率提高 76.9%，NH₃ 收率提高 53.4%。
在 450°C、40 bar 时，SW = 10 使 NH₃ 产率达到 5.81 mmol·g_cat⁻¹·h⁻¹，是 SCR 的 2.62 倍，NH₃ 回收率 84%。此时 H₂ 转化率超过对应热力学平衡值约 15–30%，充分说明膜原位分离推动了平衡移动。研究同时指出，高 SW 会牺牲有效停留时间，在接近平衡时反而降低产率，因此 SW = 4 在 400°C、40 bar 附近代表了反应与分离的良好折中。
图7（对应原文 Fig.16）：结构化催化剂膜反应器（SCMR）与传统反应器（SCR）在不同温度、压力、SW 下的总 NH₃ 产率与回收率对比。
本研究使用 LPBF 成型金属 gyroid 支撑体，核心优势在于复杂自支撑晶格的一次成型与精确几何控制。对于陶瓷、金属氧化物或聚合物基催化剂载体，DIW 浆料直写同样能够实现类似的 gyroid、Schwarz P、金刚石等 TPMS 晶格结构，且更适合水基或有机浆料体系，设备投资和材料选择更为灵活。
DIW 在制备此类结构化催化剂时的关键挑战与这篇工作高度相通：一是浆料流变必须同时满足挤出流动性与沉积后形状保持；二是复杂多孔结构需要稳定的路径规划与层间对位；三是后处理（干燥、脱脂、烧结/固化）需匹配浆料体系以避免开裂和变形；四是若将催化活性相前驱体混入浆料，还需考虑料路兼容性与批次一致性。铂邦科技在 DIW 整机、挤出模块及配套工艺开发方面可提供相应支持。
本文解读了一项将 3D 打印 TPMS gyroid 结构化催化剂与 Cu-CMS 膜集成用于氨合成的研究。实验结果表明，在 400°C、40 bar、SW = 4 条件下，膜反应器相对于传统结构化反应器可将 H₂ 转化率、NH₃ 产率和 NH₃ 收率分别提升 83.4%、76.9% 和 53.4%，证明结构化载体与原位分离的组合能够有效强化低温低压氨合成。
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