综述：多尺度工程催化剂：催化剂制造与成型工艺的过去、现在与未来

《ChemCatChem》：Engineering Catalysts at the Multiscale: Past, Present, and Future of Catalyst Manufacturing and Shaping Processes

催化剂成型技术从传统方法（造粒、压片）发展到先进工艺（挤压成型、喷雾干燥、流化床喷雾造粒和增材制造），强调多尺度工程整合纳米结构、微孔道构、介观孔径优化及宏观反应器适配，提升催化性能与稳定性。计算模型与机器学习加速了催化剂设计与优化，未来方向为可持续化学过程的多尺度协同创新。

　　催化剂的成型技术在工业化学过程中的优化过程中扮演着至关重要的角色。随着技术的发展，催化剂的制造从传统的粉末处理逐步演变为多尺度工程化。本文回顾了催化剂成型技术的发展历程，从传统方法如球团化和挤出，到现代技术如喷雾干燥、流化床成型和3D打印，全面探讨了不同成型方法在不同反应器类型中的应用，以及这些技术如何影响催化剂的活性、选择性和耐用性。同时，也强调了计算建模和机器学习在催化剂设计和优化中的作用，推动了催化剂成型技术的革新。

催化剂在工业和商业应用中必须满足严格的化学和机械稳定性要求，同时保持一致的性能表现。在制造过程中，催化剂被塑造成多种形状，如挤出体、片剂、球体和颗粒，以适应不同的催化过程。这些形状的实现依赖于先进的成型技术，包括挤出、喷雾干燥、流化床工艺和3D打印。每种技术都有其独特的优缺点，需根据具体应用和反应器类型进行选择。

挤出是目前最常用的催化剂成型方法，因为它在操作效率和形状控制方面具有优势。然而，挤出技术存在一些局限性，如能耗较高，且难以形成均匀的催化剂组成和孔结构。相比之下，喷雾干燥是一种能够生成具有可控尺寸和形态的多孔颗粒的常用技术，适用于广泛的工业应用。尽管喷雾干燥在生产中表现优异，但其在形成活性成分的球形颗粒方面存在限制，通常在40到100微米的尺寸范围内。因此，为了满足特定的应用需求，需要进一步优化喷雾干燥技术或结合其他成型方法。

3D打印技术，也称为增材制造（AM），因其能够快速生产复杂的三维结构而受到广泛关注。这种技术通过逐层构建，结合数字模型文件，实现了催化剂结构的精确控制。目前，一些公司如巴斯夫和壳牌已经开发了3D打印催化剂，用于硫磺酸生产和氮氧化物去除等关键过程。此外，3D打印在制药、食品和农业化学品等领域也有广泛应用，展示了其在多尺度工程中的巨大潜力。

催化剂的成型技术对反应器的性能有着直接的影响。例如，在固定床反应器中，催化剂的形状和尺寸决定了床层的结构，从而影响压力损失和传质效率。而在流化床反应器中，催化剂的机械强度和尺寸分布对颗粒的磨损和反应器的流化性能至关重要。因此，选择合适的成型方法对于确保催化剂在不同反应器中的高效运行是必不可少的。

催化剂成型过程中，关键参数的优化和控制对于提升其性能至关重要。例如，在挤出过程中，浆料的液固比例、粘度和流变特性直接影响最终催化剂的结构和性能。在喷雾干燥中，干燥气体的温度、湿度和流速对颗粒的形成和分布具有重要影响。此外，成型过程中，添加剂如粘合剂、塑化剂和润滑剂的选择也对催化剂的机械强度和孔结构产生重要影响。

多尺度催化剂工程是提升催化剂性能和实现可持续化学过程的关键。催化剂的结构特性、性能表现和操作环境在不同尺度上存在显著差异。在实验室中，催化剂通常以细粉末形式存在，而工业催化剂则需要经过多层级的工程化处理，以适应实际操作条件。例如，纳米尺度的催化剂具有独特的电子和表面特性，而微尺度的结构则影响传质和热管理。在介孔尺度上，催化剂的孔道结构和支撑材料的选择对反应物的接触和催化剂的稳定性至关重要。宏观尺度上，催化剂在反应器中的布置和整体设计则直接影响反应效率和转化率。

随着多尺度建模和机器学习技术的发展，催化剂成型的优化变得更加精准和高效。计算流体力学（CFD）和离散元方法（DEM）等模型能够预测催化剂的性能，并指导其设计和制造。这些模型不仅有助于理解催化剂的微观行为，还能在宏观尺度上模拟反应器内的流体动力学和传热特性，从而加速催化剂的开发和工业化应用。

催化剂成型技术的未来发展将依赖于多尺度工程和先进制造方法的结合。例如，流化床喷雾颗粒化技术能够生成具有高度均匀性和可控孔结构的催化剂颗粒，适用于高通量的石油精炼过程。3D打印技术则为催化剂的结构设计提供了前所未有的灵活性，使研究人员能够快速开发和测试新型催化剂结构。这些技术的进步不仅提升了催化剂的性能，还促进了可持续化学过程的发展。

此外，催化剂成型过程中，材料的选择和处理对最终性能具有重要影响。例如，喷雾干燥技术能够保留较高的孔隙率和多孔结构，而挤出技术则能生成具有均匀性和机械强度的催化剂体。流化床喷雾颗粒化则结合了流化床的混合优势和喷雾干燥的成型特性，能够生产具有高机械强度和可控孔结构的催化剂颗粒。

综上所述，催化剂成型技术在化学工业中占据核心地位，其发展不仅推动了催化剂性能的提升，还促进了可持续和高效化学过程的实现。未来，随着计算建模、机器学习和先进制造技术的进一步发展，催化剂成型将朝着更加精准、可控和可持续的方向演进，为化学工业的创新提供强大的支持。