变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体及建立方法技术

本发明专利技术公开了变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1.不同孔隙率的均匀多孔催化剂载体建模；步骤2.通过对均匀孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体流场有限元模型的分析，确定变孔隙率多孔催化剂载体孔隙率分布方案；步骤3.采用三周期极小曲面孔隙率特征参数进行拓扑优化，生成变孔隙率多孔催化剂载体几何文件；步骤4.采用多物理场有限元分析方法模拟验证催化性能：若模拟结果达到催化性能要求，则进行步骤5；若模拟结果未达到催化性能要求，则返回步骤2；步骤5.变孔隙率多孔催化剂载体几何文件，采用3D打印技术生成实体多孔催化剂载体。该方法能提升催化反应性能，获取具有高转化率的催化剂载体。转化率的催化剂载体。转化率的催化剂载体。

【技术实现步骤摘要】
变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体及建立方法


[0001]本专利技术涉及催化剂材料领域，具体涉及一种变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体及建立方法。

技术介绍

[0002]多孔结构是一种广泛存在于自然界和工业界的复杂拓扑结构，具有比表面积大、孔隙率高、轻量化、力学性能优异等特点，广泛应用于航空航天、桥梁、医学植入体等轻量化核心
近些年，由于多孔结构具有大比表面积、大迂曲度等特点而特别适合作为高性能催化反应载体的特性，逐渐被化工催化领域所重视。对此研究人员已研发出了包括多孔金属/非金属泡沫、蜂窝结构、点阵结构等多种结构化的催化剂载体，并成功应用于如汽车尾气处理、醇类燃料重整、催化燃烧等高性能催化反应体系中，取得了良好的性能和经济价值。例如，专利文献CN 110038608 A公布了一种应用于VOCs催化燃烧的结构化催化剂材料，该催化材料采用具有多孔结构、高热导率、高强度的泡沫碳化硅作为载体，表现出良好的VOCs催化氧化性能。而蜂窝和点阵结构由于自身的间断性，其内部均为非全联通，具有很强的各向异性，导致反应物在其内部传输相比较于多孔泡沫结构受到限制，不利于催化反应的充分快速进行。
[0003]然而目前公布的多孔泡沫、多孔纤维催化剂载体合成方法大多得到的是由无序的单胞结构组成的，不仅单胞结构存在较大各向异性，整体催化剂载体也呈现较强各向异性。从而导致这些多孔催化剂结构在受到外界或化学反应内部热源时，内部容易出现热应力集中，进而导致结构内部冷热点过多且分布不均匀，影响催化反应的进行、降低催化剂性能、导致负载的催化剂烧结脱落等。因此提高催化剂载体结构连续性及可控性是未来提升结构化催化剂载体性能的研究重点。
[0004]近年来，随着微型3D打印技术的飞速发展，复杂参数化微小结构的高精度合成逐渐成为可能。在几何拓扑学理论中，三周期极小曲面(Triple Periodic Minimal Surfaces，TPMS)是一种表面平均曲率为零的光滑连续仿生曲面。该曲面的生成遵循自然界物质合成朝能量最小方向进行的规律，在许多昆虫翅膀、海洋生物、树叶等中都发现存在类似的结构。TPMS具有天然的多孔连续特性，并且可以采用隐函数进行表达，进而精确地控制孔隙大小、分布及形状，这为高性能催化剂载体的参数化设计带来了理想解决方案。专利文献CN111737835A公开了一种基于三周期极小曲面的三维多孔散热结构及优化方法，以提升结构散热性能、热传导效率与效能。然而上述CN 111737835 A的目的仅仅是强化散热性能及热传导。而将TPMS应用在催化反应的设计及优化中，充分发挥TPMS结构光滑连续、可控精度高、热传导性能强、比表面积大等优势，提升催化反应性能，是现有技术中未曾提及的。因此本专利技术所要解决的技术问题是如何基于TPMS参数化设计和3D打印技术，生产具有高转化率的催化剂载体。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中上述问题，本专利技术提供一种变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体及建立方法，以解决如何提升催化反应性能及生产具有高转化率的催化剂载体的技术问题。
[0006]一方面，本专利技术提供一种变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体的建立方法，该方法包括如下步骤：
[0007]步骤1：不同孔隙率的均匀多孔催化剂载体建模；
[0008]步骤2：通过对均匀孔隙率三周期极小曲面催化剂载体流场有限元模型的分析，确定变孔隙率多孔催化剂载体孔隙率分布方案；
[0009]步骤3：采用三周期极小曲面孔隙率特征参数进行拓扑优化，生成变孔隙率多孔催化剂载体几何文件；
[0010]步骤4：采用多物理场有限元分析方法模拟验证催化性能：
[0011]若模拟结果达到催化性能要求，则进行步骤5；
[0012]若模拟结果未达到催化性能要求，则返回步骤2
[0013]步骤5：根据生成的变孔隙率多孔催化剂载体几何文件，采用3D打印技术生成实体多孔催化剂载体。
[0014]本专利技术由可根据载体流场进行变孔隙度分布设计的三周期极小曲面多孔结构胞体组成。由于多孔载体的变孔隙率分布设计，显著提升了均匀多孔催化剂载体内部流场垂直主流方向扰动和反应物停留时间。当反应物进入变孔隙度分布的三周期极小曲面多孔催化剂载体时，可显著提高整体催化性能。
[0015]进一步提出一种本专利技术的变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法的优化方案，步骤1所述的不同孔隙率的均匀多孔催化剂载体建模，包括如下步骤：
[0016]通过三周期极小曲面统一的隐函数，产生三周期极小曲面等值面函数表达式φ
(x,y,z)
＝C，C为等值参数，C∈[
‑
1,1]，根据不同的C得到不同孔隙率的均匀多孔结构模型；
[0017]通过等值参数C构建具有一定厚度的壳结构和肋柱结构；
[0018]优化等值函数参数C，生成变孔隙率多孔催化剂载体模型。
[0019]本专利技术利用变孔隙率多孔载体沿垂直主流动方向各截面上的单胞结构不同，以强化垂直主流动方向的扰动程度；为延长反应物在载体内整体停留时间，本专利技术借鉴空气动力学中的渐扩管原理，采用孔隙率沿主流方向渐升的策略，实现了反应物整体流速降低进而延长停留时间的目的。
[0020]进一步提出一种本专利技术的变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法的优化方案，其中的三周期极小曲面包括：G曲面、IWP曲面、P曲面及S曲面，各曲面对应的三周期极小曲面数学表达式如下：
[0021]G曲面：φ
G
＝sinXcosY+sinYcosZ+sinZcosX＝C
[0022]IWP曲面：
[0023]φ
IWP
＝2(cosXcosY+cosYcosZ+cosZcosX)
‑
(cos2X+cos2Y+cos2Z)＝C
[0024]P曲面：φ
P
＝cosX+cosY+cosZ＝C
[0025]S曲面：φ
S
＝cos2XsinYcosZ+cosXcos2YsinZ+sinXcosYcos2Z＝C
[0026]其中X＝2απx,Y＝2βπy,Z＝2γπz，x,y,z为空间坐标，α，β，γ为三周期极小曲面在
固定的单胞尺寸下的放大因子，可根据实际需求采用不同放大因子或单胞尺寸进行设计及优化。
[0027]进一步提出一种本专利技术的变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法的优选方案，所述壳结构采用定义两个具有相同周期及频率的不同等值极小曲面围成的封闭区域生成，所述肋柱结构采用定义三维空间等值函数与极小曲面等值函数值的关系生成。
[0028]进一步提出一种本专利技术的变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法的优选方案，采用
±
C定义多孔催化壳结构载体：
‑
C≤φ
sheet
≤C,C≠0；定义小于C的区域为实体区域，大于C的区域构成真空区域：φ
solid
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.不同孔隙率的均匀多孔催化剂载体建模；S2.通过对均匀孔隙率三周期极小曲面催化剂载体流场有限元模型的分析，确定变孔隙率多孔催化剂载体孔隙率分布方案；S3.采用三周期极小曲面孔隙率特征参数进行拓扑优化，生成变孔隙率多孔催化剂载体几何文件；S4.采用多物理场有限元分析方法模拟验证催化性能：若模拟结果达到催化性能要求，则进行S5；若模拟结果未达到催化性能要求，则返回S2；S5.根据变孔隙率多孔催化剂载体几何文件，采用3D打印技术生成实体多孔催化剂载体。2.根据权利要求1所述的变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法，其特征在于，S1不同孔隙率的均匀多孔催化剂载体建模，包括如下步骤：通过三周期极小曲面统一的隐函数，产生三周期极小曲面等值面函数表达式φ
(x,y,z)
＝C，C为等值参数，C∈[
‑
1,1]，根据不同的C得到不同孔隙率多孔结构模型；通过等值参数C构建具有一定厚度的壳结构和肋柱结构；优化等值函数参数C，生成变孔隙率多孔催化剂载体模型。3.根据权利要求2所述的变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法，其特征在于，所述的三周期极小曲面包括：G曲面、IWP曲面、P曲面及S曲面。4.根据权利要求2所述的变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法，其特征在于，所述壳结构采用定义两个具有相同周期及频率的不同等值极小曲面围成的封闭区域生成；所述肋柱结构通过定义三维空间等值函数与极小曲面等值函数值的关系生成。5.根据权利要求4所述的变孔隙率三周期极小曲面多孔催化剂载体建立方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱恂，李嘉轩，廖强，杨扬，叶丁丁，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：